6 почему с ростом тока управляющего электрода напряжение включения уменьшается

6.6.1. Способы включения тиристоров

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

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

Включение тиристора с помощью тока управления

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

При переключении тиристора транзисторные структуры, образующие тиристор, переходят из режима отсечки в режим насыщения через активный режим. Во время переходных процессов через тиристор проходят большие токи при больших напряжениях на нем, что приводит к большим значениям выделяющейся в тиристоре так на­зываемой мощности коммутацион­ных потерь.

Включение тиристора путем бы­строго увеличения анодного напряжения

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

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

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

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

Барьерные емкости эмиттерных переходов являются причиной появления емкостных токов через эти переходы при быстром изменении основного напряжения на тиристоре. Эти токи не связаны с инжекцией носителей заряда. Поэтому с увеличе­нием скорости изменения основного напряжения включение ти­ристора должно происходить при напряжениях, больших (рис. 6.13, б), если учитывать только барьерные емкости эмиттерных переходов.

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

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

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Напряжение — включение — тиристор

Напряжение включения тиристора уменьшается при подаче прямого тока в управляющий электрод. [2]

Напряжение включения тиристора уменьшается при подаче прямого тока в управляющий электрод. Важнейшим параметром тиристора является ток спрямления / спр — прямой ток в цепи управляющего электрода, которому соответствует пунктирная часть вольт-амперной характеристики. Току / спр соответствует ( / спр — напряжение спрямления, которое нужно подать между управляющим электродом и катодом тиристора для его включения. [3]

Напряжение включения тиристора U3Ka обратно пропорционально температуре окружающей среды Тср. Поэтому при работе тиристора необходимо отводить теплоту, обеспечивая тем самым качественную его работу. [4]

Уменьшается ли напряжение включения тиристора с увеличением тока управляющего электрода. [5]

Эффект dU / dtb проявляется в том, что напряжение включения тиристора уменьшается при увеличении скорости нарастания анодного напряжения и тиристор отпирается при резких всплесках анодного напряжения. [7]

Из формулы ( 5 9) видно, что напряжение включения гриод-ного тиристора зависит от управляющего тока. Формула может быть справедлива при меньших напряжениях на аноде тиристора, если через управляющий электрод будут проходить большие значения управляющего тока в прямом направлении. Кроме того, из условия ( 59) можно сделать вывод о целесообразности осуществления управляющего вывода от тонкой базы триодного тиристора, так как управлять коэффициентом передачи тока эмиттера транзисторной структуры с тонкой базой значительно легче, чем с толстой базой. [8]

Запускающий импульс положительной полярности создает импульс тока в цепи управляющего электрода, из-за чего напряжение включения тиристора уменьшается и становится меньи. [9]

Отметим, что рассмотренные физические явления ограничивают не только обратные напряжения, но и напряжения включения тиристоров . [11]

Запускающий импульс положительной полярности создает импульс тока в цепи управляющего электрода, из-за чего напряжение включения тиристора снижается и становится меньше EZ. Напряжение Uсо — Ez UGH вызывает включение тиристора. [12]

Отметим, что рассмотренные физические явления ограничивают не только обратные напряжения, но и напряжения включения тиристоров . [14]

Источник

31). Влияние тока управления на вах тиристора

С ростом управляющего тока напряжение включения Uвкл уменьшается, так как появляется дополнительная инжекция носителей заряда. Полярность подачи управляющего напряжения: » + » к р-области или » – » к n-области. Если через управляющий электрод тиристора не протекает ток управления, то его вольтамперная характеристика идентична вольтамперной характеристике динистора. Когда ток управления достигает определенной величины, тиристор будет открыт при любом положительном напряжени и. Это значение управляющего тока называется током спрямления Iспр.

32) Дополняющие транзисторные пары

Проводящий канал может иметь электропроводность как п-, так и р-типа. Соответственно различают полевые транзисторы с л-каналом и р-каналом. Все полярности напряжений смещения, подаваемых на электроды полевых транзисторов с п- и р-каналом, противоположны. Полевые транзисторы, имеющие проводящие каналы с разными типами электропроводности, называют комплементарными, т. е. дополняющими друг друга по типу электропроводности проводящих каналов. Комплементар­ные транзисторы оказываются удобными элементами для по­строения ряда схем.

33). Принцип действия пт с управляющим р-n-переходом.

Полевой транзистор с управляющим р-n- переходом – это полевой транзистор, затвор которого отделен в электрическом отношении от канала р-n-переходом, смещенным в обратном направлении.

Рисунок 1 – Устройство полевого транзистора с управляющим р-n-переходом (каналом n- типа)

Рисунок 2 – Условное обозначение полевого транзистора с р-n-переходом и каналом n- типа (а), каналом р- типа (б)

Каналом полевого транзистора называют область в полупроводнике, в которой ток основных носителей заряда регулируется изменением ее поперечного сечения.

Электрод (вывод), через который в канал входят основные носители заряда, называют истоком. Электрод, через который из канала уходят основные носители заряда, называют стоком. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала за счет управляющего напряжения, называют затвором.

Как правило, выпускаются кремниевые полевые транзисторы. Кремний применяется потому, что ток затвора, т.е. обратный ток р-n- перехода, получается во много раз меньше, чем у германия.

Условные обозначения полевых транзисторов с каналом n- и р- типов приведены на рис. 2.

Полярность внешних напряжений, подводимых к транзистору, показана на рис. 1. Управляющее (входное) напряжение подается между затвором и истоком. Напряжение Uзи является обратным для обоих р-n- переходов. Ширина р-n- переходов, а, следовательно, эффективная площадь поперечного сечения канала, его сопротивление и ток в канале зависят от этого напряжения. С его ростом расширяются р-n- переходы, уменьшается площадь сечения токопроводящего канала, увеличивается его сопротивление, а, следовательно, уменьшается ток в канале. Следовательно, если между истоком и стоком включить источник напряжения Uси, то силой тока стока Iс, протекающего через канал, можно управлять путем изменения сопротивления (сечения) канала с помощью напряжения, подаваемого на затвор. На этом принципе и основана работа полевого транзистора с управляющим р-n- переходом.

При напряжении Uзи = 0 сечение канала наибольшее, его сопротивление наименьшее и ток Iс получается наибольшим.

Ток стока Iс нач при Uзи = 0 называют начальным током стока.

Напряжение Uзи, при котором канал полностью перекрывается, а ток стока Iс становится весьма малым (десятые доли микроампер), называют напряжением отсечки Uзи отс.

Источник

О тиристорах простым языком. Часть 2. Управление и применение

Из этой статьи мы знаем, что тиристоры открываются импульсом тока, а для их закрытия нужно прекратить ток или приложить между анодом и катодом обратное напряжение. Кроме этого, нам известно, что тиристоры проводят ток в одном направлении, от анода к катоду, а управляющий сигнал должен быть положительным, относительно катода. То есть его полярность должна совпадать с полярностью приложенного к аноду напряжения. А также потенциал анода в момент открытия должен превышать потенциал катода. Симисторы работают точно так же, а состоят из двух тиристоров, соединённых встречно-параллельно (чуть позже мы разберём примеры).

В этой статье мы подробнее рассмотрим вопросы, связанные со способами и схемами управления тиристорами и симисторами.

Немного теории

Управлять тиристором не так просто как, например, mosfet’ами или IGBT-транзисторами, так как нужно учитывать ряд параметров и выполнять некоторые условия.

Начнём с понятия ток отпирания (он же ток управления, в англоязычных даташитах обозначается, как IGT) — это ток такой силы, который необходимо подать на управляющий электрод (УЭ), чтобы тиристор открылся в нормальном ключевом режиме. Обычно он находится в диапазоне от 0.1 до 1А. На мощных тиристорах, рассчитанных на тысячи ампер, он может быть и больше, но такое встречается редко.

Но даже если подать нужный ток на управляющий электрод тиристор не откроется, потому что по силовой цепи (анод-катод), должен протекать какой-то ток. Этот ток называется током удержания (Iуд в отечественных справочниках или IH в англоязычных даташитах). Это минимальный ток, который должен протекать через тиристор в момент открытия, а также для удержания в открытом состоянии в процессе работы. Обычно он находится в диапазоне от десятков миллиампер до сотен миллиампер (0.05…0.5А).

Ток удержания нужно учитывать не только при отпирании транзистора, но и при его запирании. Если ток в силовой цепи слишком маленький, то если тиристор был включён, а нагрузка по какой-то причине исчезла, то он закроется не полностью и перейдёт в активный режим. На ключе увеличится падение напряжения и выделяемая мощность, если в таком состоянии внезапно появится нагрузка, то он выйдет из строя. Поэтому в схемах с мощными тиристорами используются дополнительные решения для их защиты — отслеживания и контролирования этого тока.

Следующее важное условие сформировать нужную скорость роста тока управления — это обозначается, как dIG/dt , может отличаться для каждого конкретного тиристора, но в среднем оно должно быть больше, чем 2А/мкс.

Пример «правильной» формы управляющего импульса для мощного тиристора изображён на рисунке ниже. Обычно он формируется специальными драйверами, кому интересно, может поискать в интернете что-то вроде «ФИУТ-1 от НИЦ СПП ОАО «ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ»» .

На рисунке: IGon — уровень тока подпитки; IGon = (3-5)×IGt , где IGt — отпирающий ток управления (параметр выбирается для минимальной рабочей температуры, при которой будет использоваться тиристор); I Gm — амплитуда форсирующего импульса, равна (10-12)×IGt ; diG/dt — скорость нарастания тока управления; больше 2 А/мкс, ограничений сверху нет. tpf — длительность форсирующего импульса управления; равна (2-3)×tgd (примерно 5 — 25 мкс), где tgd — время задержки. Для низких рабочих температур рекомендуется выбирать большую длительность импульса управления. tpon — длительность импульса тока подпитки; равна (3-5)×tGt , примерно 50мкс и более, где tGt — время включения, зависит от схемы включения прибора. Точно подбирается опытным путём, в зависимости от нагрузки и особенностей схемы. Этот ток нужен, чтобы «подстраховать» тиристор от закрывания, если возможно снижение тока нагрузки после включения ниже, чем ток удержания и его нарастанием после этого.

Для чего это нужно? Допустим, у нас есть какой-то мощный тиристор, если подать на его управляющий электрод ток, который нарастает медленно или вовсе представляет собой стабильную ровную линию, то тиристор будет открываться медленнее, чем нужно. При этом начнёт протекать ток нагрузки, и, так как структура тиристора ещё не открылась полностью, область около УЭ начнёт греться, что может привести к её прожигу и прибор выйдет из строя.

Кроме того, нужно контролировать и ток нагрузки (анодный ток) при открытии тиристора. Но здесь, наоборот, нужно ограничивать скорость его роста. Это называется «эффект dI/dt» или «допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор». Если ток нагрузки при открытии будет расти слишком быстро, то это приведёт к тем же последствиям. Чтобы ограничить скорость dI/dt в цепь анода включают индуктивность или используют индуктивность трансформатора питания.

Обозначение dI/dt похоже на предыдущее и можно запутаться. Обратите внимание, в предыдущем случае мы писали dI G /dt, где IG – ток управляющего электрода (G – gate), суть в том, что эти два вопроса тесно связаны между собой, и в сущности, описывают одно и то же явление, но с разных сторон.

Ну и наконец, нужно помнить, что, чтобы закрыть тиристор нужно прекратить ток через него. Это может сыграть и негативную роль, например, если у нагрузки не постоянный характер, и ток в ней может изменяться в процессе работы, то если он опустится ниже, чем ток удержания — тиристор может закрыться и отключить её. Это негативное явление, и в таких случаях нужно контролировать ток нагрузки и следить, чтобы транзистор не закрывался самопроизвольно. Такая коммутация называется естественной.

А чтобы повысить надёжность запирания в те моменты, когда это необходимо, то можно подать на него обратное напряжение — на катод условный плюс, а на анод условный минус. Такая коммутация называется искусственной.

Из этого следует, что тиристор можно использовать в цепи переменного тока, а в цепи постоянного тока он закрываться не будет. Для работы при постоянном токе используют транзисторы.

Безусловно, есть простые схемы регуляторов, где тиристоры подключаются на выход выпрямительного моста, но в этих схемах никогда не используется фильтров, и токи, с которыми работают такие схемы, обычно не превышают и десятка ампер. Поэтому тиристор успевает закрыться в момент, когда напряжение на нём равно нулю, то есть между полупериодами, такой пример мы рассмотрим далее.

Перейдём к практике

Как вы могли убедиться управлять тиристорами не так уж и легко, но, чтобы понять, как с ними работать мы рассмотрим простые примеры, без учёта перечисленных выше параметров. Они подбираются для каждого конкретного случая при проектировании, а цель этой статьи ознакомить с читателем «что это такое и с чем его едят», поэтому перейдём к теме.

Выделяют такие способы управления тиристорами:

1. Прямой, без гальванической развязки между силовой цепью и цепями управления.
2. Оптический.
3. Трансформаторный.
4. С помощью источника тока.

Важно запомнить, что к полярности управляющего сигнала есть определённые требования: тиристору требуется положительное управляющее напряжение, приложенное относительно катода, а для симистора (симметричного тиристора) —сигнал управления должен быть таким же по полярности, как и в момент открытия на аноде (см. рисунок ниже).

Управление без гальванической развязки

При способе управления без гальванической развязки управляющий сигнал подаётся на управляющий электрод напрямую от источника питания через регулирующий орган с пороговым элементом или напрямую от устройства управления, микроконтроллера (крайне редко в «самоделках» и в устройствах заводского изготовления практически не встречается).

Используется в простых маломощных устройствах типа светорегуляторов (диммеров). Отличается ненадёжностью, в случае повреждений в силовой цепи может выйти из строя и цепь управления. Поэтому на практике в «нормальных» схемах такое решение почти не используется.

Схема подключается в разрыв между нагрузкой и переменным сетевым напряжением. На тиристор подаётся выпрямленное пульсирующее напряжение. Включение происходит, когда на аноде тиристора есть какое-то напряжение, и нагрузка обеспечивает ток выше величины удержания.

Управление происходит путём подключения источника постоянного тока к управляющему электроду. Ток управления ограничивается резистором R1, R2 – шунтирует УЭ подтягивая его к минусу питания, когда SA1 разомкнут. Когда ключ SA1 замыкается, тиристор включается и через нагрузку начинает протекать ток.

В качестве ключа может быть использован транзистор, и управляться он может от микроконтроллера или миниатюрное реле.

У этой схемы есть масса недостатков:

• Тиристор может включиться в любой момент, если это произойдёт, когда на аноде высокое напряжение (оно здесь может достигать 310В), то будет всплеск тока и помехи.

• Даже если импульс управления подать точно перед началом нарастания напряжения от нуля, то ток нагрузки в этот момент может не достичь тока удержания тогда тиристор закроется сразу же после окончания импульса.

• Если такую схему использовать с транзистором и микроконтроллером, как упоминалось выше, то в случае, когда тиристор пробьёт из-за перенапряжения или он сгорит от перегрузки, то сетевой напряжение попадёт на управляющий транзистор. Если его переход тоже пробьёт, то высокое напряжение попадёт на выход микроконтроллера, и он выйдет из строя.

На практике сложно встретить такую схему как показана на рисунке ниже, значительно более распространён следующий вариант схемы управления без гальванической развязки.

Здесь к выходу диодного моста подключён и сам тиристор и цепь управления им. Управляющий электрод подключается к тому же источнику, что и анод тиристора. В целом схема работает аналогично предыдущей:

При подключении схемы к сети 220В выпрямленное пульсирующее напряжение поступает на анод тиристора VS1, далее при замыкании ключа SA1 ток через ограничивающий резистор подаётся на УЭ и тиристор открывается, ток через него протекает к «минусу» диодного моста и возвращается в нулевой провод.

Закрывается он естественным образом, когда напряжение и ток снижается до нуля (между выпрямленными полуволнами). Для повышения стабильности работы УЭ подтянут к минусу питания через резистор R2.

Кстати, такую конструкцию можно уменьшить, если убрать диодный мост, а вместо тиристора использовать симистор.

Здесь также симистор подключается в разрыв между нагрузкой и источником питания, но уже не к выпрямленному, а к переменному напряжению. Как вы помните, на УЭ симистора подают напряжение и ток той же полярности что и на условном аноде . Так как УЭ подключён к тому же источнику питания, то и полярность управляющего напряжения совпадает и симистор будет нормально открываться.

Примечание: так как симистор – это два встречно параллельных тиристора, то у него и нет чёткого анода или катода. Анод всегда там, где приложен больший потенциал.

Закрываться симистор будет при переходе синусоиды через ноль, то есть на каждой половине периода. Чтобы это лучше понять вспомните, что симистор – это два тиристора соединённых встречно-параллельно. Когда синусоида проходит через ноль и к аноду открытого тиристора, пусть это будет VS1, прикладывается обратное напряжение, он закрывается, а ко второму тиристору (VS2) приложится прямое напряжение. Дальше всё повторяется, но с обратной полярностью, и так по кругу.

Повторюсь, что такая схема в «серьёзных» устройствах не используется, но по ней построены все бюджетные китайские светорегуляторы, которые в народе называют просто – диммеры, типовой пример вы видите ниже.

Давайте разберём эту схему по составляющим и её принцип работы.

Схему можно разделить на 2 части: силовую (симистор BT136) и управление (всё остальное)

Управляющая часть схемы состоит из времязадающей цепочки (резисторы R1, R3, потенциометр R2, конденсаторы C1 и С2), которая отвечает за момент включения симистора, и двунаправленного динистора DB3 с напряжением пробоя Ubo=28-36 Вольт. Потенциметр R2 здесь служит скорости заряда конденсаторов.

Примечание: динистор, он же диодный тиристор по устройству такой же, как тиристор, но без управляющего электрода, он открывается сам, когда на аноде напряжение достигает какой-то пороговой величины — напряжения пробоя.

Элементы R3 и C3 необязательны в этой схеме, но они нужны для повышения стабильности работы.

Демпферная цепочка, состоящая из конденсатора C1 и резистора R4 защищает симистор BT136 от всплесков ЭДС-самоиндукции, если схема подключена в цепь с индуктивной нагрузкой, например, при регулировке оборотов электродвигателей, поэтому в дешёвых светорегуляторах её также может не быть.

Когда схема подключается к сети, начинают заряжаться C2 и C3 через цепочку резисторов R1, R2 и потенциометра. Когда на обкладках C2 и C3 напряжение достигнет величины в диапазоне от 28 до 36 вольт, то динистор DB3 откроется и подаст управляющий импульс на УЭ симистора. Последний откроется и через него начнёт протекать ток нагрузки.

Так как напряжение синусоидальное, ток нагрузки изменяется по такому же закону, когда напряжение приблизится к 0, а ток нагрузки станет меньше тока удержания, симистор закроется и отключит нагрузку.

Такой процесс повторяется каждую полуволну синусоиды, с отличием лишь в полярности напряжения на всех элементах. Продублируем иллюстрацию работы симистора, которую мы приводили ранее.

Как вы можете видеть симистор закрывается каждый раз, при переходе синусоиды проходит через ноль, и открывается при появлении напряжения на управляющем электроде.

И как же всё-таки регулирует мощность эта схема? Как мы уже разобрались выше – тиристор открывается, когда достигается определённое напряжение для открытия динистора DB3, который даёт импульс на управляющий электрод. Так как времязадающая цепь подключена к тому же источнику питания, что и силовая, то напряжение нагрузки априори синхронизировано с управляющей цепью.

Время, за которое достигается напряжение открытия DB3 задаётся RC цепочкой. Если в ней увеличить сопротивление R, то конденсатор C будет заряжаться дольше, соответственно нужное для открытия напряжение на нём появится позже.

На рассматриваемой схеме за регулировку времени открытия отвечает потенциометр R2. Изменяя его сопротивление, мы задаём время заряда и выбираем момент открытия симистора. Время от точки перехода синусоиды через ноль до момента включения тиристора измеряется в градусах и называется углом альфа, реже — углом среза фазы.

Эпюры напряжений на нагрузке в разных положениях регулятора

Из эпюр мы видим, что симистор открывается только на небольшом кусочке синусоиды, поэтому уменьшается действующее напряжение на нагрузке.

Примечание: если вам угодно, то уменьшается действующая мощность. Вообще, эту схему называют все по-разному, кто-то «симисторный регулятор напряжения», кто-то «симисторный регулятор мощности». Да и симистор – это токовый прибор, поэтому справедливо даже говорить «… регулятор тока».

Это называется фазовым регулированием, а устройство с таким принципом регулирования – С истема И мпульсно- Ф азового У правления (СИФУ).

Процесс регулирования по такому принципу в англоязычной литературе называют Leading Edge Dimming, что переводится как диммирование по возрастающему (переднему) фронту фазы. Есть регуляторы, которые, наоборот, срезают заднюю часть синусоиды, но их мы рассматривать не будем.

За простоту схемы приходится платить помехами и прочими гармониками в электросети. Если вы внимательно посмотрите на эпюры напряжений на нагрузке в разных положениях регулятора, то увидите, что напряжение на нагрузку подаётся в любой момент, зачастую это не 0 вольт. На 50% мощности напряжение в нагрузку и вовсе подаётся при амплитудном напряжении (310В). Из-за этого происходят всплески тока нагрузки, и возникают помехи в электросети. Если интересно, то предлагаю почитать статью на смежную тему , или просто запомнить «дешёвые тиристорные диммеры – это плохо».

Но это не единственный метод регулировки мощности нагрузки, есть ещё и так называемое целочисленное или широтно-импульсное управление (не путать с ШИМ), когда через тиристор или симистор включают нужное число полуволн и амплитудный метод.

Источник