Tirisztorok: működési elv, kialakítás, típusok és beépítési módok

A tirisztor működési elve

A tirisztor egy teljesítményelektronikus, nem teljesen vezérelhető kapcsoló. Ezért a szakirodalomban néha egyműködésű tirisztornak nevezik, amely csak vezérlőjellel kapcsolható vezető állapotba, azaz bekapcsolható. Kikapcsolásához (egyenáramú üzemben) speciális intézkedéseket kell tenni annak biztosítására, hogy az egyenáram nullára csökkenjen.

A tirisztoros kapcsoló csak egy irányba tud áramot vezetni, zárt állapotban pedig képes elviselni az előremenő és a fordított feszültséget is.

A tirisztor négyrétegű p-n-p-n felépítésű, három vezetékkel: anód (A), katód (C) és kapu (G), ami az ábrán látható. 1

Rizs. 1. Hagyományos tirisztor: a) — hagyományos grafikai jelölés; b) — volt-amper karakterisztika.

ábrán. Az 1b. ábra a statikus I-V karakterisztikák családját mutatja az iG vezérlőáram különböző értékei mellett. A korlátozó előremenő feszültség, amelyet a tirisztor bekapcsolás nélkül képes ellenállni, maximális értéke iG = 0.Az áramerősség növekedésével az iG csökkenti a tirisztor által ellenálló feszültséget. A tirisztor bekapcsolt állapota a II. ágnak, a kikapcsolt állapota az I. ágnak, a kapcsolási folyamat pedig a III. ágnak felel meg. A tartóáram vagy tartóáram egyenlő azzal a minimálisan megengedett iA előremenő árammal, amelynél a tirisztor továbbra is vezet. Ez az érték a bekapcsolt tirisztoron átmenő feszültségesés minimális lehetséges értékének is megfelel.

A IV. ág a szivárgó áramnak a fordított feszültségtől való függését jelenti. Amikor a fordított feszültség meghaladja az UBO értékét, a fordított áram éles növekedése kezdődik, ami a tirisztor meghibásodásához kapcsolódik. A meghibásodás természete megfelelhet egy visszafordíthatatlan folyamatnak vagy egy lavina-letörési folyamatnak, amely a félvezető zener-dióda működésében rejlik.

A tirisztorok a legerősebb elektronikus kapcsolók, amelyek legfeljebb 5 kV feszültségű és 5 kA áramerősségű áramkörök kapcsolására képesek, legfeljebb 1 kHz frekvencián.

A tirisztorok kialakítása a 2. ábrán látható. 2.

Rizs. 2. A tirisztordobozok kialakítása: a) — tabletta; b) – tű

DC tirisztor

A hagyományos tirisztort úgy kapcsolják be, hogy áramimpulzust adnak a vezérlőáramkörre a katódhoz képest pozitív polaritással. A tranziens bekapcsolási időtartamát jelentősen befolyásolja a terhelés jellege (aktív, induktív stb.), az iG vezérlőáram-impulzus amplitúdója és növekedési sebessége, a tirisztor félvezető szerkezetének hőmérséklete, az alkalmazott feszültség és terhelési áram.Tirisztort tartalmazó áramkörben nem lehetnek elfogadhatatlan értékek a duAC / dt előremenő feszültség emelkedési sebességében, ahol a tirisztor spontán aktiválódása történhet az iG vezérlőjel és a feszültség sebességének hiányában. emelkedés az áram diA / dt értékéről. Ugyanakkor a vezérlőjel lejtésének nagynak kell lennie.

A tirisztorok kikapcsolásának módjai között szokás megkülönböztetni a természetes kikapcsolást (vagy természetes kapcsolást) és a kényszerített (vagy mesterséges kapcsolást). A természetes kommutáció akkor következik be, amikor a tirisztorok váltakozó áramkörökben működnek abban a pillanatban, amikor az áram nullára csökken.

A kényszerkapcsolás módszerei igen sokrétűek, ezek közül a legjellemzőbbek: előtöltött C kondenzátor csatlakoztatása S kapcsolóval (3. ábra, a); LC áramkör csatlakoztatása egy előre feltöltött CK kondenzátorral (3b. ábra); a tranziens folyamat oszcillációs jellegének felhasználása a terhelési körben (3. ábra, c).

Rizs. 3. A tirisztorok mesterséges kapcsolásának módszerei: a) — feltöltött C kondenzátorral; b) — az LC áramkör oszcilláló kisütésével; c) — a terhelés ingadozó jellege miatt

ábra szerinti kapcsoláskor. A 3. ábrán látható, és egy fordított polaritású kapcsolókondenzátor csatlakoztatása, például egy másik segédtirisztorhoz, a vezető fő tirisztorra kisül. Mivel a kondenzátor kisülési árama a tirisztor előremenő árama ellen irányul, az utóbbi nullára csökken, és a tirisztor kikapcsol.

ábra diagramján. A 3. b ábrán az LC áramkör csatlakoztatása a CK kapcsolókondenzátor oszcilláló kisülését okozza.Ilyenkor kezdetben a kisülési áram az előremenő áramával ellentétesen folyik a tirisztoron keresztül, amikor ezek egyenlővé válnak, a tirisztor kikapcsol. Ezenkívül az LC-áramkör árama a VS tirisztorról a VD diódára megy át. Amint a hurokáram átfolyik a VD diódán, a nyitott diódán lévő feszültségeséssel megegyező fordított feszültség kerül a VS tirisztorra.

ábra diagramján. A 3. ábrán látható, hogy a VS tirisztor komplex RLC terheléshez való csatlakoztatása tranzienst okoz. A terhelés bizonyos paraméterei mellett ez a folyamat oszcilláló jellegű lehet, a terhelési áram polaritásának megváltozásával. Ebben az esetben a VS tirisztor kikapcsolása után bekapcsol a VD dióda, amely elkezd áramot vezetni. ellentétes polaritás. Néha ezt a kapcsolási módot kvázi-természetesnek nevezik, mert a terhelési áram polaritásának megváltozásával jár.

AC tirisztor

Ha a tirisztor a váltakozó áramú áramkörhöz van csatlakoztatva, a következő műveletek lehetségesek:

• az elektromos áramkör be- és kikapcsolása aktív és aktív-reaktív terhelés mellett;

• az átlagos és effektív áramértékek változása a terhelésen keresztül, mivel lehetőség van a vezérlőjel időzítésének beállítására.

Mivel a tirisztoros kapcsoló csak egy irányban képes elektromos áramot vezetni, ezért a váltakozó áramú tirisztorok használatához azok párhuzamos bekötését alkalmazzuk (4. ábra, a).

Rizs. 4. A tirisztorok (a) párhuzamos kapcsolása és az áram alakja aktív terhelés mellett (b)

Átlagos és effektív áram változhat a nyitójelek VS1 és VS2 tirisztorokra adott időpontjában bekövetkezett változása miatt, pl. a szög megváltoztatásával és (4. ábra, b).Ennek a szögnek az értékeit a VS1 és VS2 tirisztoroknál a szabályozás során a vezérlőrendszer egyidejűleg megváltoztatja. A szöget a tirisztor szabályozási szögének vagy gyújtási szögének nevezzük.

A teljesítményelektronikai eszközökben legszélesebb körben használt fázis (4. ábra, a, b) és tirisztoros vezérlés impulzusszélességgel (4. ábra, c).

Rizs. 5. Terhelési feszültség típusa: a) — a tirisztor fázisszabályozása; b) — tirisztor fázisszabályozása kényszerkommutációval; c) — impulzusszélesség tirisztor vezérlés

A kényszerkommutációs tirisztoros vezérlés fázismódszerével a terhelési áram szabályozása lehetséges mind a szög ? és szög ? változtatásával... A mesterséges kapcsolás speciális csomópontokkal vagy teljesen vezérelt (reteszelő) tirisztorokkal történik.

Impulzusszélesség-szabályozásnál (impulzusszélesség-moduláció — PWM) a Totkr alatt a tirisztorokra vezérlőjel kerül, azok nyitva vannak, és Un feszültséget kapnak a terhelésre. A Tacr idő alatt a vezérlőjel hiányzik és a tirisztorok nem vezető állapotban vannak. A terhelésben lévő áram effektív értéke

ahol In.m. — terhelési áram Tcl = 0-nál.

A tirisztorok fázisszabályozásával járó terhelésben az áramgörbe nem szinuszos, ami a táphálózat feszültség alakjának torzulását és a nagyfrekvenciás zavarokra érzékeny fogyasztók munkájában zavarokat okoz - fellép az ún. Elektromágneses összeférhetetlenség.

Záró tirisztorok

A tirisztorok a legerősebb elektronikus kapcsolók, amelyek nagyfeszültségű, nagyáramú (nagyáramú) áramkörök kapcsolására szolgálnak.Van azonban egy jelentős hátrányuk - a hiányos szabályozhatóság, amely abban nyilvánul meg, hogy kikapcsolásához meg kell teremteni a feltételeket az előremenő áram nullára csökkentésére. Ez sok esetben korlátozza és megnehezíti a tirisztorok használatát.

Ennek a hátránynak a kiküszöbölésére olyan tirisztorokat fejlesztettek ki, amelyeket a G vezérlőelektróda jele zár le. Az ilyen tirisztorokat gate-off tirisztoroknak (GTO) vagy kettős működésű tirisztoroknak nevezik.

A reteszelő tirisztorok (ZT) négyrétegű p-p-p-p szerkezettel rendelkeznek, ugyanakkor számos jelentős tervezési jellemzővel rendelkeznek, amelyek teljesen eltérnek a hagyományos tirisztoroktól - a teljes szabályozhatóság tulajdonságát. A lekapcsolt tirisztorok statikus I-V karakterisztikája előrefelé megegyezik a hagyományos tirisztorok IV karakterisztikájával. A reteszelő tirisztor azonban általában nem képes blokkolni a nagy fordított feszültségeket, és gyakran egy anti-párhuzamos diódára van kötve. Ezenkívül a reteszelő tirisztorokat jelentős előremenő feszültségesések jellemzik. A reteszelő tirisztor kikapcsolásához erőteljes negatív áramimpulzust (körülbelül 1:5 az állandó kikapcsolási áram értékéhez képest) kell alkalmazni a záróelektróda áramkörére, de rövid ideig (10- 100 μs).

A lock-in tirisztorok lekapcsolási feszültsége és árama is alacsonyabb (kb. 20-30%-kal), mint a hagyományos tirisztoroké.

A tirisztorok fő típusai

A reteszelő tirisztorok kivételével a különböző típusú tirisztorok széles skáláját fejlesztették ki, amelyek sebességükben, szabályozási folyamataiban, vezető állapotú áramok irányában stb.Közülük a következő típusokat kell megjegyezni:

• tirisztor dióda, amely egyenértékű egy antipárhuzamosan csatlakoztatott diódával rendelkező tirisztorral (6.12. ábra, a);

• dióda tirisztor (dinisztor), egy bizonyos feszültségszint túllépése esetén vezetőképes állapotba kapcsol, A és C között alkalmazva (6. ábra, b);

• reteszelő tirisztor (6.12. ábra, c);

• szimmetrikus tirisztor vagy triac, amely egyenértékű két párhuzamosan kapcsolt tirisztorral (6.12. ábra, d);

• nagy sebességű inverteres tirisztor (kikapcsolási idő 5-50 μs);

• terepi tirisztor, például egy MOS tranzisztor és egy tirisztor kombinációján alapul;

• fényárammal vezérelt optikai tirisztor.

Rizs. 6. A tirisztorok hagyományos grafikai jelölése: a) — tirisztor dióda; b) - dióda tirisztor (dinisztor); c) — reteszelő tirisztor; d) — triac

Tirisztor védelem

A tirisztorok kritikus eszközök az előremenő áram diA / dt növekedési sebességéhez és a duAC / dt feszültségeséshez. A tirisztorokat, a diódákhoz hasonlóan, a fordított visszanyerő áram jelensége jellemzi, amelynek éles nullára csökkenése növeli a nagy duAC / dt értékű túlfeszültségek lehetőségét. Az ilyen túlfeszültségek az áramkör induktív elemeinek áramának hirtelen megszakadásának a következményei, pl. kis induktivitások telepítés. Ezért a tirisztorok védelmére általában különféle CFTCP-sémákat használnak, amelyek dinamikus üzemmódban védelmet nyújtanak a diA / dt és a duAC / dt elfogadhatatlan értékei ellen.

A legtöbb esetben a mellékelt tirisztor áramkörében lévő feszültségforrások belső induktív ellenállása elegendő ahhoz, hogy ne kerüljön be további LS induktivitás.Ezért a gyakorlatban gyakran van szükség olyan CFT-kre, amelyek csökkentik a kioldási túlfeszültségek szintjét és sebességét (7. ábra).

Rizs. 7. Tipikus tirisztorvédelmi áramkör

Erre a célra általában a tirisztorral párhuzamosan kapcsolt RC áramköröket használják. Az RC áramkörök különféle áramköri módosításai és paramétereik kiszámításának módszerei léteznek a tirisztorok különböző használati feltételeihez.

A lock-in tirisztorok esetében az áramkörök kapcsolási útvonalat képeznek, hasonlóan a CFTT tranzisztorokhoz.