Введение
В данной работе рассмотрены нескольковариантов устройств, где используются элементы тиристоры в качестве регуляторовнапряжения и в качестве выпрямителей. Приведены теоретическое и практическоеописания принципа действия тиристоров и устройств, схемы этих устройств.
Управляемыйвыпрямитель на тиристорах — элементах, обладающих большим коэффициентомусиления по мощности, позволяет получать большие токи в нагрузке принезначительной мощности, затрачиваемой в цепи управления тиристора.
В данной работерассмотрены два варианта таких выпрямителей, которые обеспечиваютмаксимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15В и от 0,5 до 15 В и устройство для регулировки напряжения на нагрузкеактивного и индуктивного характера, питаемой от сети переменного токанапряжением 127 и 220 В с пределами регулировки от 0 до номинального напряжениясети.Глава 1. Понятие отиристоре. Виды тиристоров. Принцип действия1.1. Определение, виды тиристоров
Тиристоромназываютполупроводниковый прибор, основу которого составляет четырехслойная структура,способная переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Тиристорыпредназначены для ключевого управления электрическими сигналами в режиме открыт-закрыт(управляемый диод).
Простейшимтиристором является динистор – неуправляемый переключающий диод, представляющийсобой четырехслойную структуру типа p-n-p-n(рис. 1.1.2). Здесь, как и у других типовтиристоров, крайние n-p-n-переходы называются эмиттерными, а среднийp-n-переход – коллекторным. Внутренние области структуры, лежащие междупереходами, называются базами. Электрод, обеспечивающийэлектрическую связь с внешней n-областью, называется катодом, а с внешнейp-областью – анодом.
В отличие отнесимметричных тиристоров (динисторов, тринисторов) в симметричных тиристорахобратная ветвь ВАХ имеет вид прямой ветви. Это достигаетсявстречно-параллельным включением двух одинаковых четырехслойных структур илиприменением пятислойных структур с четырьмя p-n-переходами (симисторы).
Рис. 1.1.1. Обозначения на схемах: а) симистора б)динистора в) тринистора.
Рис. 1.1.2. Структура динистора.
Рис. 1.1.3. Структура тринистора.1.2. Принципдействия
При включениидинистора по схеме, приведенной на рис. 1.2.1, коллекторный p-n-переход закрыт,а эмиттерные переходы открыты. Сопротивления открытых переходов малы, поэтомупочти все напряжение источника питания приложено к коллекторному переходу,имеющему высокое сопротивление. В этом случае через тиристор протекает малыйток (участок 1 на рис. 1.2.3).
Рис. 1.2.1. Схема включения в цепь неуправляемоготиристора (динистора).
Рис. 1.2.2. Схема включения в цепь управляемоготиристора (тринистора).
Рис.1.2.3. Вольтамперная характеристика динистора.
Рис.1.2.4. Вольтамперная характеристика тиристора.
Если увеличиватьнапряжение источника питания, ток тиристора увеличивается незначительно, покаэто напряжение не приблизится к некоторому критическому значению, равномунапряжению включения Uвкл. При напряженииUвклв динисторесоздаются условия для лавинного размножения носителей заряда в областиколлекторного перехода. Происходит обратимый электрический пробой коллекторногоперехода (участок 2 на рис. 1.2.3). В n-области коллекторного переходаобразуется избыточная концентрация электронов, а в p-области — избыточнаяконцентрация дырок. С увеличением этих концентраций снижаются потенциальныебарьеры всех переходов динистора. Возрастает инжекция носителей черезэмиттерные переходы. Процесс носит лавинообразный характер и сопровождаетсяпереключением коллекторного перехода в открытое состояние. Рост тока происходитодновременно с уменьшением сопротивлений всех областей прибора. Поэтомуувеличение тока через прибор сопровождается уменьшением напряжения между анодоми катодом. На ВАХ этот участок обозначен цифрой 3. Здесь прибор обладаетотрицательным дифференциальным сопротивлением. Напряжение на резисторевозрастает и происходит переключение динистора.
После переходаколлекторного перехода в открытое состояние ВАХ имеет вид, соответствующийпрямой ветви диода (участок 4). После переключения напряжение на динистореснижается до 1 В. Если и дальше увеличивать напряжение источника питания илиуменьшать сопротивление резистора R, то будет наблюдаться рост выходного тока,как в обычной схеме с диодом при прямом включении.
При уменьшениинапряжения источника питания восстанавливается высокое сопротивлениеколлекторного перехода. Время восстановления сопротивления этого перехода можетсоставлять десятки микросекунд.
Напряжение Uвкл при котором начинаетсялавинообразное нарастание тока, может быть снижено введением не основныхносителей заряда в любой из слоев, прилегающих к коллекторному переходу.Дополнительные носители заряда вводятся в тиристоре вспомогательным электродом,питаемым от независимого источника управляющего напряжения (Uупр). Тиристор совспомогательным управляющим электродом называется триодным, или тринисторным.На практике при использовании термина «тиристор» подразумевается именноэлемент. Схема включения такого тиристора показана на рис. 1.2.2. Возможностьснижения напряжения U при росте токауправления, показывает семейство ВАХ (рис. 1.2.4).
Если ктиристору приложить напряжение питания, противоположной полярности (рис. 1.2.4),то эмиттерные переходы окажутся закрытыми. В этом случае ВАХ тиристоранапоминает обратную ветвь характеристики обычного диода. При очень большихобратных напряжениях наблюдается необратимый пробой тиристора.1.3. Параметрытиристоров
1. Напряжениевключения (Uвкл)– это такое напряжение, при которомтиристор переходит в открытое состояние.
2. Повторяющеесяимпульсное обратное напряжение (Uo6p.max) — это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Длябольшинства тиристоров Uвкл= Uo6p.max.
3. Максимальнодопустимый прямой, средний за период ток.
4. Прямоепадение напряжения на открытом тиристоре (Unp = 0,5÷1В).
5. Обратныймаксимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновныхносителей при приложении напряжения обратной полярности.
6. Токудержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается.
7. Времяотключения – это время, в течение которого закрывается тиристор.
8. Предельнаяскорость нарастания анодного тока Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-nпереходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будетпроисходить местный перегрев и тепловой пробой .
9. Предельная скорость нарастания анодногонапряжения Если предельная скорость нарастания анодного напряжениябудет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться отэлектромагнитной помехи.
10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать,чтобы тиристор открылся без «колена».
11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, котороенеобходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».Глава 2.Применение тиристоров в регуляторах мощности2.1. Общие сведения о различных регуляторах
Тиристоры имеютширокий диапазон применений (регуляторы мощности, управляемые выпрямители,генераторы импульсов и др.), выпускаются с рабочими токами от долей ампера дотысяч ампер и с напряжениями включения от единиц до тысяч вольт.
Регулировкавыходного напряжения выпрямителя может осуществляться разными способами.Регулируемый трансформатор или автотрансформатор, включенный в схемувыпрямителя, дает возможность изменять амплитуду переменного напряжения,подводимого к вентилям, и тем самым устанавливать желаемое выпрямленноенапряжение.
Однако такиетрансформаторы громоздки и имеют малую надежность из-за переключаемых илискользящих контактов.
Регулировкапостоянного напряжения на нагрузке, достигаемая делителем напряжения илиреостатом, включенным между выходом выпрямителя и нагрузкой, связана с большимипотерями мощности.2.2. Процессуправления напряжением при помощи тиристора
Свободным отнедостатков методов, перечисленных в 2.2, является метод, основанный науправлении вентилями выпрямителя. В качестве управляемых вентилей в настоящеевремя широко применяют тиристоры.
Моментомвключения тиристора можно управлять подавая управляющий импульс тока наn-р-переход, прилегающий к катоду.
При прохождениитока нагрузки через открытый тиристор все три его n-р-перехода смещены в прямомнаправлении, и управляющий электрод перестает влиять на процессы, происходящиев тиристоре. При спадании прямого тока тиристора до нуля после рассасываниязаряда неосновных носителей в базовых областях тиристор запирается, иуправляющие свойства восстанавливаются.
Рис. 2.1.1. Схема включения тиристора.
Рис. 2.1.2. Вольтамперная характеристика тиристора.
В схеме,содержащей источник питания Е, тиристор VS и резистор нагрузки R (рис. 2.1.1),возможны два устойчивых состояния, одно из которых соответствует открытому, авторое – закрытому тиристору. Наложение характеристики цепи резистор-источникна характеристики тиристора (рис. 2.1.2) позволяет получить прямые токиотключенного (точка А) и включенного (точка В) тиристора. Повышение напряженияисточника от 0 до E при Iу=0 вызывает перемещение рабочей точки по нижней ветвихарактеристики до точки А. Если подать управляющий импульс тока амплитудой идлительностью, достаточной для поддержания этого тока на время открывания тиристора,то рабочая точка перейдет в точку, соответствующую открытому состояниютиристора.
Рис.2.1.3.Наложение характеристики цепи резистор-источник на характеристики тиристора.
Спадоткрывающего импульса тока в цепи управления не влияет на процессы в открытомтиристоре, его рабочая точка остается в положении В. Восстановление управляющихсвойств тиристора произойдет лишь при его обесточивании на время, большеевремени его закрывания.
В открытомсостоянии тиристор пропускает очень большие токи (до нескольких сотен ампер) иоказывает им малое сопротивление. В этом его преимущество. Применяя тиристоры,следует иметь в виду, что скачкообразное изменение сопротивления в моментоткрывания может привести к очень большим броскам тока. Особенно велики этиброски в тех схемах, где нагрузка R шунтируется конденсатором.
Зарядкаконденсатора через открывшийся тиристор может вывести последний из строя.Поэтому для уменьшения бросков тока последовательно с тиристором включаютдроссель. 2.3. Управляемыйвыпрямитель на тиристоре
Ввыпрямительных схемах тиристоры лучше работают при активной нагрузке или принагрузке, начинающейся с индуктивного элемента.
В управляемыйвыпрямитель тиристор вводят как обычный вентиль, а к его управляющему электродуподводят от цепи управления (ЦУ) импульсы, включающие тиристоры с запаздываниемна угол aотносительновыпрямляемого напряжения (рис. 2.1.3).
Через тиристорVS1, включающийся в момент, соответствующий wt =aна выход выпрямителя передаетсянапряжение первой фазы вторичной обмотки e21. При wt=pнапряжение e21 становитсяотрицательным, однако тиристор запереться не может, так как это привело бы кобрыву тока, проходящего через дроссель L. Индуктивность дросселя L выбираютбольшей критической, чем и поддерживают непрерывный ток. Поэтому в те моменты,когда e21 отрицательно, на дросселе L наводится ЭДС самоиндукции с полярностьюи значением, обеспечивающими напряжение на катоде, меньше e21.
При wt=p+aоткрывается тиристор VS2, черезкоторый на выход передается напряжение e22, являющееся на данном этапеположительным. Ток дросселя переходит на вторую фазу, а тиристор VS1 оказавшисьобесточенным и смещенным в обратном направлении, запирается и т. д. Такимобразом, напряжение на выходе выпрямителя e0 создается лишь теми частяминапряжений вторичных полуобмоток E21 и E22, которые соответствуют открытомусостоянию тиристоров.
Рис.2.1.4.Схема регулировки выпрямления напряжения.
Напряжениена нагрузке, получающееся почти равным постоянной составляющей напряжения e0,подводимого к фильтру LС, растет при уменьшении угла aи спадает при его увеличении.Регулировка выпрямленного напряжения, достигаемая изменением фазы управляющихимпульсов, не связана с гашением избытка мощности в самом регулируемомвыпрямителе, что является основным его преимуществом.
Схемывыпрямления с тиристорами такие же, как обычных выпрямителей. Основное вниманиедалее уделяется двухфазным схемам выпрямителей.
Дляпростоты полагаем падение напряжения на открытом тиристоре много меньшим (рис. 2.1.4.)выпрямленного напряжения, а токи утечки (прямой ток при закрытом тиристоре иобратный ток при отрицательном напряжении) – малыми по сравнению с токомнагрузки. Это позволит считать тиристор идеальным (прямое падение напряжения врежиме насыщения, прямой и обратный токи утечки, а также ток отключения в немравны нулю). Такие упрощения не приведут к большой погрешности, так как токчерез вентиль схемы определяется сопротивлением нагрузки, а не фазы. По этой жепричине можем считать идеальными дроссель L и трансформатор, т. е. пренебречьиндуктивностью рассеяния и активными сопротивлениями их обмоток.
(2.1.1)
(3.5) Сначала рассмотрим одну первую фазу регулируемого выпрямителя (рис. 2.1.4).Нагрузку выпрямителя полагаем состоящей из дросселя L и конденсатора С,образующих фильтр, и активной нагрузки R, а выходное напряжение — постоянным иравным е0. Исходя из графика
(рис. 2.1.3)запишем
(2.1.1)
Здесь принято, что в силу идеальности трансформатора и вентилянапряжение e0 совпадает с ЭДС первой фазы трансформатора e21 в интервале
awtp+a: (2.1.2)
e0=e21 (2.1.3.)
Падение напряжения на дросселе L равно разности напряжений e21 и E0, и,следовательно, его ток
(2.1.4)
(2.1.5)
Постояннуюинтегрирования определим из условия баланса постоянных токов. Среднее значениетока iL на интервале α¸p+aдолжно быть равно току нагрузки.Подставив найденное таким образом значение C, получим
Выпрямленное напряжение получается, если тиристор каждой из фаз открытдо тех пор, пока не вступит в работу следующая фаза. Однако это верно лишь втом случае, когда ток дросселя к моменту открывания вентиля следующей фазыположителен и напряжение, получаемое в момент включения с включающейся фазы,больше напряжения на конденсаторе. Последнее условие выполняется при α>32,5°, что обеспечивает рост тока дросселя сразу после включения тиристора.
(2.1.6)
Подставивв wt=p+a запишем это условие в виде
(2.1.7)
Так как е0определяется выражением, условие непрерывности тока в дросселе можно записать иначе:
(2.1.8)
Оно идолжно выполняться для углов a> 32,5°.Если индуктивность дросселя L- меньше Lкр, где
(2.1.9)
илисопротивление нагрузки выпрямителя больше Rmax где
то ток в дросселе станет равным нулю раньше, чем откроется тиристорвторой фазы. Как только ток станет равным нулю, тиристор обесточится ивыключится. Такой режим не очень выгоден, так как связан с большими переменнымисоставляющими токов тиристоров и обмоток трансформатора. Поэтому чаще всего индуктивностьдросселя L выбирают такой, чтобы при максимально возможном сопротивлениинагрузки удовлетворялось условие непрерывности тока.
(2.1.10) В режиме непрерывного тока дросселя ток фазы приближается по форме кпрямоугольной (рис. 2.1.5, а, б ). Его действующее значение без учета пульсаций
Действующее значение тока первичной обмотки, в которуютрансформируются, не перекрываясь во времени, токи двух фаз, получается в раз больше, чем токnlr, т. е.
(2.1.11)
Рис.2.1.5. Ток дросселя.
По форме токпервичной обмотки в каждый из полупериодов повторяет ток фазы, равный току iL(рис. 2.1.5, в). Первая гармоникаэтого тока при малых пульсациях сдвинута на угол α. относительно напряжения на первичнойобмотке.
Таким образом,при тиристорный выпрямительпотребляет от сети не только активный, но и реактивный ток. Это являетсянедостатком такого выпрямителя.
Полный перепадпульсаций на выходном конденсаторе Снайдем так же, как и при исследовании неуправляемого выпрямителя. В результатеполучим выражение:
(2.1.12)
Здеськоэффициент D(a) являетсяфункцией угла a.
Подводя итог,отметим следующие особенности схемы тиристорного регулируемого выпрямителя:
1)снижениевыходного напряжения в тиристорном выпрямителе достигается благодаря уменьшениюотбора мощности от сети переменного тока; оно не связано с гашением значительнойее части в выпрямителе;
2)прирегулировке выпрямитель потребляет не только активную, но и реактивнуюмощностью сети переменного тока;
3)при измененииугла регулирования aот 0 до 0,5pвыходноенапряжение меняется от максимума до 0;
4)пульсация выпрямленногонапряжения заметно возрастает с ростом угла регулирования;
(2.1.13)
5)режим непрерывного тока вдросселе нарушается, если не соблюдается отношение. Глава 3.Практические разработки регуляторов мощности на тиристорах3.1. Регулятор напряжения на тиристореКУ201К
Устройство,схема которого приведена на рисунке, можно использовать для регулировкинапряжения на нагрузке активного и индуктивного характера, питаемой от сетипеременного тока напряжением 127 и 220 В. Напряжение на нагрузке можно менять отнуля до номинального напряжения сети.
Рис. 3.1.1. Принципиальная схема регуляторанапряжения.
Тиристор VS1, включенный в диагональ моста, составленного издиодов VD1—VD4 играет роль управляемого ключа, который открывается при разрядеконденсатора С1 через ограничительный резистор R2 и управляющий переходтиристора при включении переключающего диода VD 6. Напряжение, при которомтиристор включается, можно регулировать потенциометром R1. Вместопереключающего диода VD6 можноиспользовать стабилитрон, но в этом случае уменьшается диапазон регулировкинапряжения на нагрузке.3.2. Мощныйуправляемый выпрямитель на тиристорах
На первых двухрисунках изображены варианты выпрямителей на тиристорах, которые обеспечиваютмаксимальный ток в нагрузке до 6 А с пределом регулировки напряжения от 0 до 15в (рис. 3.2.1) и от 0,5 до 15 в (рис. 3.2.2).
В течение одногополупериода к аноду тиристора приложено положительное относительно катоданапряжение.
Рис. 3.2.1. Принципиальная схема выпрямителя №1.
Пока на управляющийэлектрод не подан положительный сигнал определенной амплитуды со схемы запуска,тиристор не пропускает ток в прямом направлении. Через некоторый произвольныйугол задержки α между напряжениями на управляющем электроде и катодеприкладывается положительный запускающий сигнал, вызывающий протекание токачерез тиристор и соответственно через нагрузку. При перемене полярностинапряжения на аноде тиристора последний закрывается независимо от величиныуправляющего напряжения, при этом аналогично рассмотренному ранее начинаетработать другое плечо схемы. Регулируя угол задержки включения а по отношению кприложенному напряжению, можно изменять соотношение фаз начала протекания токаи приложенного напряжения и регулировать величину среднего значения выпрямленноготока (напряжения) нагрузки от максимума (α = 0) до нуля (α = π).
Угол задержки включения тиристоров Д1 и Д4 изменяется потенциометром R1. ДиодыД3 защищают цени управления (запуска) от отрицательного напряжения в то время,когда напряжение на анодах тиристоров отрицательное. Для получения широкихпределов регулировки α (0 — π) применены RC — цепи.
В выпрямителе(рис.3.2.2) тиристор и схема запуска работают как в положительный, так и вотрицательный полупериоды, время разряда конденсаторов сокращается, чтоприводит к уменьшению диапазона изменения угла а и, соответственно, куменьшению пределов регулирования напряжения на нагрузке. Для устранения этогоявления включен диод Д3.
Рис. 3.2.2. Принципиальная схема выпрямителя№2.
Тиристоры длявыпрямителя (рис. 3.2.1) желательно выбирать с близким значением сопротивленияучастка управляющий электрод — катод. Если не удается подобрать одинаковыетиристоры, то схему можно симметрировать с помощью дополнительногосопротивления. Для этого включают эквивалент нагрузки и изменением величинысопротивления потенциометра R1 устанавливают максимальный ток. Поочередноотключая цепи управления тиристоров, измеряют ток каждого плеча выпрямителя.Переменное сопротивление величиной 10 кОм. подключается параллельно управляющемуэлектроду к катоду того тиристора, через который течет больший ток. Изменяявеличину этого сопротивления, добиваются одинаковых показаний тока.
Учитывая разброспараметров тиристоров, необходимо скорректировать сопротивления резисторов R1 иR2. Вначале R1 берется несколько больше рассчитанного, а R2 определяется какостаточное сопротивление потенциометра R1 при условии, что его изменение неприводит к увеличению тока нагрузки. Максимальная величина R1 ограничиваетсясопротивлением, при котором ток нагрузки равен нулю.
Конструктивно тиристоры необходимо размещать на радиаторах с площадью 50 кв.см(рис. 3.2.1), 250 кв.см — (рис. 3.2.2). Во всех вариантах использовантрансформатор, собранный на обычном сердечнике УШ35х55. Для намотки взят проводмарки ПЭВ. Первичная обмотка содержит 550 витков, диаметр провода 0,55 мм.Данные вторичных обмоток: для варианта на рис.3.2.1 — число витков 2х60проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.; для варианта на рис.3.2.2 — число витков 2х64проводом ПЭЛ диаметром 1,35 мм.Заключение
Применение тиристоров в таких устройствах, какрегуляторы мощности и управляемые выпрямители, позволяет получать большие токив нагрузке при незначительной мощности, затрачиваемой в цепи управлениятиристора. А также делают эти устройства более надежными, компактными иэкономичными в использовании. Снижается и себестоимость регулятора мощности, врезультате отсутствия трансформатора с медной обмоткой.Литература
1. Ефимов И. Е., Козырь И. Я., Горбунов Ю. И.,«Микроэлектроника», М., «Высшая школа», 1987 г.
2. Алексеенко А. Г., Шагурин В. Я.,«Микросхемотехника», М., «Радио и связь», М., «Радио исвязь», 1982 г.
3. Коледов Л. А., «Технология и конструкции микросхем,микропроцессоров и микросборок», М., «Радио и связь», 1989 г.
4. Бакалов В.П. и д.р. Основы теории электрических цепей иэлектротехники: Учебник для вузов / В.П.Бакалов, А.Н.Игнатов, Б.И.Крук. –М.;Радио и связь, 1989. –528с.: ил.
5. Сизых Г.Н. Электропитающие устройства связи: Учебник длятехникумов –М.: Радио и связь, 1982.- 288с., ил.
6. А. Старцев – Регулятор на тиристоре. Ж. Радио 7/68г.
7. И. Серяков, Ю. Ручкин – Мощный управляемый выпрямительна тиристорах. Ж. Радио, 2/71г.
8. А. А. Каяцкас. Основы радиоэлектроники. – М.: Высшаяшкола, 1988. – 463с., ил.Оглавление
TOC o «1-3» h z u Введение. PAGEREF _Toc137242762 h 1
Глава 1. Понятие о тиристоре. Видытиристоров. Принцип действия. PAGEREF _Toc137242763 h 2
1.1. Определение, виды тиристоров. PAGEREF _Toc137242764 h 2
1.2. Принцип действия. PAGEREF _Toc137242765 h 4
1.3. Параметры тиристоров. PAGEREF _Toc137242766 h 7
Глава 2. Применение тиристоров врегуляторах мощности. PAGEREF _Toc137242767 h 8
2.1. Общие сведения о различныхрегуляторах. PAGEREF _Toc137242768 h 8
2.2. Процесс управления напряжениемпри помощи тиристора. PAGEREF _Toc137242769 h 9
2.3. Управляемый выпрямитель натиристоре. PAGEREF _Toc137242770 h 12
Глава 3. Практические разработкирегуляторов мощности на тиристорах. PAGEREF _Toc137242771 h 18
3.1. Регулятор напряжения натиристоре КУ201К… PAGEREF_Toc137242772 h 18
3.2. Мощный управляемый выпрямительна тиристорах. PAGEREF _Toc137242773 h 19
Заключение. PAGEREF _Toc137242774 h 23
Литература. PAGEREF _Toc137242775 h 24
Оглавление. PAGEREF _Toc137242776 h 25