תיריסטורים: עקרון הפעולה, עיצוב, סוגי ושיטות הכללה

עקרון הפעולה של התיריסטור

תיריסטור הוא מתג אלקטרוני, שאינו ניתן לשליטה מלאה. לכן, לפעמים בספרות הטכנית הוא נקרא תיריסטור בפעולה אחת, שניתן להעבירו למצב מוליך רק על ידי אות בקרה, כלומר ניתן להפעילו. כדי לכבות אותו (בפעולת זרם ישר), יש לנקוט באמצעים מיוחדים כדי להבטיח שהזרם הישר יירד לאפס.

מתג תיריסטור יכול להוליך זרם רק בכיוון אחד, ובמצב סגור הוא מסוגל לעמוד במתח קדימה וגם לאחור.

לתיריסטור מבנה p-n-p-n בן ארבע שכבות עם שלושה מובילים: אנודה (A), קתודה (C) ושער (G), המוצג באיור. 1

אורז. 1. תיריסטור קונבנציונלי: א) - ייעוד גרפי קונבנציונלי; ב) - מאפיין וולט-אמפר.

באיור. 1b מציגה משפחה של מאפייני פלט סטטיים I - V בערכים שונים של זרם הבקרה iG. למתח הקדמי המגביל שהתיריסטור יכול לעמוד בו מבלי להפעיל אותו יש ערכים מקסימליים ב-iG = 0.ככל שהזרם גדל, iG מקטין את המתח שהתיריסטור יכול לעמוד בו. מצב ההפעלה של התיריסטור מתאים לענף II, מצב הכיבוי מתאים לענף I, ותהליך המיתוג מתאים לענף III. זרם ההחזקה או זרם ההחזקה שווה לזרם הקדמי המינימלי המותר iA שבו התיריסטור נשאר מוליך. ערך זה מתאים גם לערך המינימלי האפשרי של ירידת המתח קדימה על פני התיריסטור על.

ענף IV מייצג את התלות של זרם הדליפה במתח ההפוך. כאשר המתח ההפוך עולה על הערך של UBO, מתחילה עלייה חדה בזרם ההפוך, הקשורה לכשל של התיריסטור. אופי ההתמוטטות עשוי להתאים לתהליך בלתי הפיך או לתהליך התמוטטות מפולת הטבועה בפעולה של דיודת זנר מוליכים למחצה.

תיריסטורים הם המתגים האלקטרוניים החזקים ביותר, המסוגלים להחליף מעגלים עם מתחים של עד 5 קילו וולט וזרמים של עד 5 קילו-הרץ בתדר של לא יותר מ-1 קילו-הרץ.

העיצוב של תיריסטורים מוצג באיור. 2.

אורז. 2. העיצוב של קופסאות תיריסטורים: א) - טאבלט; ב) - סיכה

תיריסטור DC

תיריסטור קונבנציונלי מופעל על ידי הפעלת דופק זרם על מעגל הבקרה עם קוטביות חיובית ביחס לקתודה. משך הזמן החולף במהלך ההדלקה מושפע באופן משמעותי מאופי העומס (פעיל, אינדוקטיבי וכו'), המשרעת וקצב העלייה של דופק זרם הבקרה iG, הטמפרטורה של מבנה המוליכים למחצה של התיריסטור, המתח המופעל וזרם העומס.במעגל המכיל תיריסטור, לא צריכים להיות ערכים בלתי מקובלים של קצב העלייה של המתח הקדמי duAC / dt, כאשר הפעלה ספונטנית של התיריסטור יכולה להתרחש בהיעדר אות הבקרה iG וקצב של לעלות מהזרם diA / dt. יחד עם זאת, השיפוע של אות הבקרה חייב להיות גבוה.

בין הדרכים לכיבוי תיריסטורים, נהוג להבחין בין כיבוי טבעי (או מיתוג טבעי) לבין מאולץ (או מיתוג מלאכותי). התמורה טבעית מתרחשת כאשר תיריסטורים פועלים במעגלים מתחלפים ברגע שהזרם יורד לאפס.

השיטות של מיתוג כפוי מגוונות מאוד. האופייניות שבהן הן הבאות: חיבור קבל טעון מראש C עם מתג S (איור 3, א); חיבור מעגל LC עם קבל טעון מראש CK (איור 3 ב); השימוש באופי התנודתי של התהליך החולף במעגל העומס (איור 3, ג).

אורז. 3. שיטות למיתוג מלאכותי של תיריסטורים: א) - באמצעות קבל טעון C; ב) - באמצעות פריקה תנודה של מעגל LC; ג) - בשל אופיו המשתנה של העומס

כאשר מחליפים לפי התרשים באיור. 3 וחיבור קבל מיתוג בקוטביות הפוכה, למשל לתיריסטור עזר אחר, יגרום לפריקתו לתיריסטור הראשי המוליך. מכיוון שזרם הפריקה של הקבל מכוון כנגד הזרם הקדמי של התיריסטור, האחרון פוחת לאפס והתיריסטור נכבה.

בתרשים של איור. 3, ב, החיבור של מעגל LC גורם לפריקה מתנודדת של קבל המיתוג CK.במקרה זה, בהתחלה, זרם הפריקה זורם דרך התיריסטור המנוגד לזרם הקדמי שלו, כאשר הם הופכים שווים, התיריסטור נכבה. בנוסף, הזרם של מעגל ה-LC עובר מהתיריסטור VS לדיודה VD. כאשר זרם הלולאה זורם דרך הדיודה VD, מתח הפוך השווה למפל המתח על פני הדיודה הפתוחה יופעל על התיריסטור VS.

בתרשים של איור. 3, חיבור תיריסטור VS לעומס RLC מורכב יגרום לחולף. עם פרמטרים מסוימים של העומס, תהליך זה יכול להיות בעל אופי נדנוד עם שינוי בקוטביות זרם העומס ב. במקרה זה, לאחר כיבוי התיריסטור VS, הדיודה VD נדלקת, אשר מתחילה להוליך זרם של קוטביות הפוכה. לפעמים שיטה זו של מיתוג נקראת מעין טבעית מכיוון שהיא כרוכה בשינוי בקוטביות של זרם העומס.

תיריסטור AC

כאשר התיריסטור מחובר למעגל AC, הפעולות הבאות אפשריות:

• הפעלה וכיבוי של המעגל החשמלי עם עומס פעיל ופעיל-תגובתי;

• שינוי בערכי הזרם הממוצעים והיעילים דרך העומס בשל העובדה שניתן להתאים את תזמון אות הבקרה.

מכיוון שמתג התיריסטור מסוגל להוליך זרם חשמלי בכיוון אחד בלבד, אז לשימוש בתיריסטורים של זרם חילופין, נעשה שימוש בחיבור המקביל שלהם (איור 4, א).

אורז. 4. חיבור אנטי-מקבילי של תיריסטורים (א) וצורת הזרם עם עומס פעיל (ב)

ממוצע ו זרם אפקטיבי משתנים עקב שינוי בזמן בו מופעלים אותות פתיחה על תיריסטורים VS1 ו- VS2, כלומר. על ידי שינוי הזווית ו (איור 4, ב).הערכים של זווית זו עבור תיריסטורים VS1 ו- VS2 במהלך ויסות משתנים בו זמנית על ידי מערכת הבקרה. הזווית נקראת זווית הבקרה או זווית הירי של התיריסטור.

השימושים הנפוצים ביותר במכשירי חשמל הם פאזה (איור 4, א, ב) ובקרת תיריסטורים עם רוחב פולסים (איור 4, ג).

אורז. 5. סוג מתח העומס ב: א) - בקרת פאזה של התיריסטור; ב) - בקרת פאזה של תיריסטור עם הקמה כפויה; ג) - בקרת תיריסטור רוחב הדופק

עם שיטת הפאזה של בקרת תיריסטורים עם קמול מאולץ, וויסות זרם העומס אפשרי הן על ידי שינוי הזווית ? והן הזווית ?... מיתוג מלאכותי מתבצע באמצעות צמתים מיוחדים או באמצעות תיריסטורים (נעילה) מבוקרים לחלוטין.

עם בקרת רוחב דופק (אפנון רוחב דופק - PWM) במהלך Totkr, אות בקרה מופעל על התיריסטורים, הם פתוחים והמתח Un מופעל על העומס. במהלך זמן ה-Tacr, אות הבקרה נעדר והתיריסטורים נמצאים במצב לא מוליכים. ערך RMS של הזרם בעומס

שבו אינ.מ. - זרם עומס ב-Tcl = 0.

עקומת הזרם בעומס עם בקרת פאזה של תיריסטורים אינה סינוסואידלית, מה שגורם לעיוות של צורת המתח של רשת האספקה ​​ולהפרעות בעבודה של צרכנים רגישים להפרעות בתדר גבוה - מה שנקרא מתרחש. אי התאמה אלקטרומגנטית.

נעילת תיריסטורים

תיריסטורים הם המתגים האלקטרוניים החזקים ביותר המשמשים למיתוג מעגלים במתח גבוה וזרם גבוה (זרם גבוה).עם זאת, יש להם חיסרון משמעותי - יכולת שליטה לא מלאה, המתבטאת בעובדה שכדי לכבות אותם, יש צורך ליצור תנאים להפחתת הזרם קדימה לאפס. זה במקרים רבים מגביל ומסבך את השימוש בתיריסטורים.

כדי לבטל את החיסרון הזה, פותחו תיריסטורים הננעלים על ידי אות מאלקטרודת הבקרה G. תיריסטורים כאלה נקראים תיריסטורים gate-off (GTO) או דו-פעולה.

תיריסטורים נעילה (ZT) הם בעלי מבנה p-p-p-p בן ארבע שכבות, אך יחד עם זאת יש להם מספר תכונות עיצוביות משמעותיות המעניקות להם שונה לחלוטין מהתיריסטורים המסורתיים - תכונת השליטה המלאה. מאפיין ה-I-V הסטטי של תיריסטורים כיבוי בכיוון קדימה זהה למאפיין ה-I-V של תיריסטורים קונבנציונליים. עם זאת, התיריסטור הננעל בדרך כלל אינו מסוגל לחסום מתחים הפוכים גדולים ולעיתים קרובות הוא מחובר לדיודה אנטי-מקבילית. בנוסף, תיריסטורים נעולים מאופיינים בירידה משמעותית במתח קדימה. כדי לכבות את התיריסטור הנעילה, יש צורך להפעיל דופק חזק של זרם שלילי (בערך 1: 5 ביחס לערך זרם הכיבוי הקבוע) על המעגל של האלקטרודה הסגירה, אך עם משך זמן קצר (10- 100 מיקרומטר שניות).

לתיריסטורים נעולים יש גם מתח וזרמי חיתוך נמוכים יותר (בערך 20-30%) מאשר תיריסטורים רגילים.

הסוגים העיקריים של תיריסטורים

למעט תיריסטורים נעולים, פותח מגוון רחב של תיריסטורים מסוגים שונים, הנבדלים במהירות, תהליכי בקרה, כיוון זרמים במצב מוליך וכו'.ביניהם, יש לציין את הסוגים הבאים:

• דיודת תיריסטור, המקבילה לתיריסטור עם דיודה מחוברת אנטי מקבילה (איור 6.12, א);

• תיריסטור דיודה (דיניסטור), מעבר למצב מוליך כאשר חריגה מרמת מתח מסוימת, מוחל בין A ל-C (איור 6, ב);

• תיריסטור נעילה (איור 6.12, ג);

• תיריסטור סימטרי או טריאק, המקביל לשני תיריסטורים מחוברים אנטי-מקבילים (איור 6.12, ד);

• תיריסטור מהפך במהירות גבוהה (זמן כיבוי 5-50 מיקרון שניות);

• תיריסטור שדה, למשל, מבוסס על שילוב של טרנזיסטור MOS עם תיריסטור;

• תיריסטור אופטי נשלט על ידי שטף האור.

אורז. 6. ייעוד גרפי קונבנציונלי של תיריסטורים: א) - דיודת תיריסטורים; ב) - תיריסטור דיודה (דיניסטור); ג) - נעילת תיריסטור; ד) - טריאק

הגנה על תיריסטור

תיריסטורים הם מכשירים קריטיים לקצב העלייה של הזרם קדימה diA / dt ומפל המתח duAC / dt. תיריסטורים, כמו דיודות, מאופיינים בתופעה של זרם התאוששות הפוך, שצניחה חדה שלו לאפס מחמירה את האפשרות של מתחי יתר בעלי ערך duAC / dt גבוה. מתחי יתר כאלה הם תוצאה של הפסקה פתאומית של הזרם באלמנטים האינדוקטיביים של המעגל, כולל השראות קטנות הַתקָנָה. לכן, בדרך כלל נעשה שימוש בסכימות CFTCP שונות כדי להגן על תיריסטורים, שבמצבים דינמיים מספקים הגנה מפני ערכים לא מקובלים של diA / dt ו-duAC / dt.

ברוב המקרים, ההתנגדות האינדוקטיבית הפנימית של מקורות המתח הכלולים במעגל של התיריסטור הכלול מספיקה כך שלא תוכנס השראות נוספת LS.לכן, בפועל, לעיתים קרובות יש צורך ב-CFT המפחיתים את רמת ומהירות נחשולי המעידה (איור 7).

אורז. 7. מעגל הגנת תיריסטור טיפוסי

מעגלים RC המחוברים במקביל לתיריסטור משמשים בדרך כלל למטרה זו. ישנם שינויים שונים במעגלים של מעגלי RC ושיטות לחישוב הפרמטרים שלהם עבור תנאי שימוש שונים של תיריסטורים.

עבור תיריסטורים נעולים, מעגלים משמשים ליצירת נתיב מיתוג, בדומה במעגל לטרנזיסטורי CFTT.