|
СХЕМЫ---->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50
Методы и устройства управления тиристорами.
В. Крылов
В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.
На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ — открытому.
При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).
Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода — динистора.
Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод — катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.
При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.
Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.
Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.
Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 — график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.
На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа
при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д
и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К — максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток
короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр— внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.
Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.
После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить
схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.
Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.
Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.
Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного
напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.
Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе — большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.
Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста — регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.
При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.
Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.
Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.
На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.
При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он
открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.
Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.
Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:
изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),
изменением его начального уровня (2б) и
изменением величины постоянного напряжения (1а).
На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.
Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.
На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 — Д4).
Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).
При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается
и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.
Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.
Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.
Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.
В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).
Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.
Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.
На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.
В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.
Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.
Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б — по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.
Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.
Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4— R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».
В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.
|
