Тиристор как элемент автоматики, его работа на постоянном и переменном токе

Тиристор является управляемым полупроводниковым прибором, который предназначен для бесконтактной коммутации электрических цепей. Принцип действия тиристора основан на физических явлениях в кристалле полупроводника (кремния), состоящем из слоёв с разными типами проводимости. Конструктивно тиристор состоит из четырёхслойного кристалла кремния, помещённого в герметизированный металлический корпус. Внешние выводы от крайних слоёв кристалла служат анодом и катодом, а вывод от среднего слоя является управляющим электродом.

Графическое изображение тиристора.

Условное обозначение тиристора дано на рис.12,а. Там же приведена его вольт-амперная характеристика. Тиристор может находиться только в двух крайних состояниях проводимости. Либо он полностью проводит, т.е. при любом токе падение напряжения на тиристоре не превышает 1-1,5 В, либо тиристор заперт, тогда при любом напряжении ток через тиристор очень мал. Переход в эти состояния обеспечивается соответствующими токами управления.

Ток управления подается на управляющий электрод. При отсутствии сигнала управления (I_у=0) и U­_макс < U_т:макс тиристор имеет большое (но конечное) сопротивление и через нагрузку протекает небольшой ток (ветвь 1 на рис. 12,а). Если U­_макс > U_т:макс, то тиристор открывается и через нагрузку течет ток, определяемый её сопротивлением. При номинальном токе управления I_у.н переход на ветвь 2 происходит по пунктирной кривой. Таким образом, при отсутствии тока управления I_у=0 тиристор ведет себя как очень большое сопротивление, при наличии номинального тока управления – как очень малое сопротивление. После прохождения переменного тока через нуль тиристор восстанавливает свои вентильные свойства, цепь тока обрывается.

Если к тиристору приложить обратное напряжение, то он останется в запертом состоянии до тех пор, пока приложенное напряжение не превысит напряжения пробоя U_пр=U_{обр. макс}.

Эти свойства тиристора могут быть использованы для построения схем автоматического управления, создания усилителей, релейных элементов и для бездуговой коммутации электрических цепей.

Для регулирования тока в оба полупериода применя­ется схема включения рис. 12,б. В настоящее время создан полупроводниковый управляемый вентиль на оба направления — симметричный тиристор или симистор, обладающий свойствами схемы рис. 12,б. Услов­ное обозначение симистора дано на рис. 12, в. Большим недостатком тиристора является гальваническая связь между входной цепью и управляемой цепью. В настоя­щее время созданы тиристоры с оптической системой управления (оптроны). Управляющий сигнал воздействует на светодиод. Световой поток этого диода воздействует на фототиристор, который открывается под действием светового потока.

Достоинства тиристоров: малые габариты, простота конструкции, отсутствие подвижных частей, неограниченное число допустимых включений, длительный срок эксплуатации без обслуживания и ремонта, отсутствие шума и вибрации при включениях и отключениях.

Тиристор как релейный элемент.

Простейший ре­лейный элемент, использующий тиристор, показан на рис. 12, г. Источник питания переменного тока. Цепь управления питается от того же источника. Напряжение питания выбирается так, что U_макс < U _т.макс. При разомк­нутом ключе K₁ ток I_у=0, тиристор закрыт и ток в на­грузке R_н равен нулю. После замыкания K₁ при положи­тельной полуволне напряжения тиристор открывается и через нагрузку протекает ток, пока полярность напряже­ния не станет отрицательной. В следующий положитель­ный полупериод через нагрузку снова протекает ток. После размыкания ключа К₁ в положительный полупери­од напряжения ток продолжает протекать через нагруз­ку до своего нулевого значения. После прохода тока че­рез нуль цепь разрывается.

Резистор R₁ ограничивает ток I_у, а вентиль Д₁ защи­щает управляющий переход тиристора от обратного на­пряжения. Следует отметить, что принципиально схема может работать и на постоянном токе, но для закрытия тиристора после снятия управляющего сигнала необхо­димо применение специальных схем, которые отключае­мый постоянный ток превращают в переменный, после чего цепь разрывается тиристором.

Ключ K₁ может быть бесконтактным (транзистор, магнитный усилитель).

На рис. 13 представлена схема управления обмот­кой Л мощного контактора. Элемент Т-402 имеет мощ­ность 3 Вт, недостаточную для управления таким контак­тором. При подаче напряжения на вход 3 или 5 транзи­стор открывается. Точка 9 соединяется с нулевой шиной. Потенциал управляющего электрода становится поло­жительным. Тиристор открывается, и через него получа­ет питание обмотка Л. Резистор R ограничивает ток уп­равляющего электрода. Коэффициент усиления тиристо­ра по току достигает 10⁴, а по мощности 10⁵.

Рис.13. Схема тиристорного усилителя.

Тиристор как регулирующий элемент.

Если использовать для управления тиристором МУС или БМУ, то, изменяя ток управления усилителя, мы можем изменять угол насыщения магнитопровода и момент появления на­пряжения на нагрузке, которое открывает тиристор. Та­ким образом, система МУС — тиристор позволяет осу­ществить широтно-импульсное регулирование то­ка в нагрузке.

На рис. 14 представлена тиристорная схема управ­ления двигателем постоянного тока. Тиристор в этой схе­ме является управляемым выпрямителем. Управление тиристором производится напряжением, создаваемым на резисторе R_н током нагрузки МУС. Магнитодвижущая сила обмотки смещения w_см выбирается такой, чтобы при токе управления МУС, равном нулю, ток нагрузки через резистор R_н был минимальным. Диод Д₂ служит для то­го, чтобы тиристор Т не открывался током холостого хода МУС (напряжение холостого хода на резисторе R_н мень­ше порогового напряжения диода Д₂). При подаче тока управления в МУС напряжение, создаваемое на резисто­ре R_н, открывает тиристор, через двигатель протекает ток i_а. Из-за наличия индуктивности цепи якоря тиристор за­крывается не в нуле напряжения, а в момент t₂, когда ток становится равным нулю. Регулируя ток управления МУС, можно менять угол открытия тиристора а и сред­ний ток, протекающий через якорь.

Тиристорные пускатели являются бесконтактными аппаратамии служат для включения и выключения электромеханических систем. В каждой фазе пускателя (рис. 1) включены незапирающиеся тиристоры VS1 — VS3 и диоды VD1 — VD3. Тиристоры открываются один раз в течение периода последовательно через промежутки времени Т/3, в моменты времени, когда подается импульс на открывание тиристора, при прохождении напряжения через нуль в сторону увеличения его в проводящем направлении. После того как напряжение достигнет нулевого значения, тиристор становится непроводящим и напряжение данной фазы подается через параллельный диод. По истечении одной трети периода включается следующий тиристор и т. д. Этим обеспечивается непрерывная подача энергии приемнику, например асинхронному двигателю МА (рис. 1). Отметим, что в приводе отсутствуют контактные устройства, имеются только кнопки «Пуск» и «Стоп». Рис. 1. Тиристорный пускатель Импульсы на открывание тиристоров подаются на зажимы 1, 2, 3, 4, 5, 6 формирователя импульсов, который питается от отдельного трансформатора Т через диоды VD4, VD5 и VD6, чем обеспечивается подача импульсов одной полярности. При нажатии кнопки «Пуск» включаются формирователь импульсов и пускатель. Защита двигателя обеспечивается при помощи предохранителей F и схемы защиты от недопустимых токов. В каждой фазе пускателя включены трансформаторы тока. Токи трех фаз суммируются и преобразуются в напряжение. При установленном значении напряжения, если оно действует не кратковременно, снимаются открывающие импульсы и привод останавливается. При нажатии кнопки «Стоп» также прекращается подача импульсов. Формирователь импульсов тиристорного пускателя Для управления тиристорами, т. е. для формирования в соответствующие моменты времени управляющих импульсов, могут применяться различные устройства: электромагнитные с магнитными усилителями и трансформаторами, маломощные тиристорные устройства, транзисторные устройства и др. Наибольшее распространение получили транзисторные схемы, одна из которых будет рассмотрена. Управление может производиться по горизонтальному или вертикальному принципу. При горизонтальном управлении напряжение переменного тока может сдвигаться по фазе («горизонтально») при помощи фазовращателя, обычно в пределах угла от 0 до π. Полученные от фазовращателей напряжения, например для мостового трехфазного выпрямителя шесть напряжений, сдвинутых по фазе на углы π/3, подаются на формирователь, выдающий управляющие импульсы достаточной длительности. Больше распространен вертикальный принцип управления, при котором управляющий импульс формируется, например, в моменты равенства управляющего напряжения линейно возрастающему пилообразному напряжению. Подобная схема для одного канала управления двухполупериодного выпрямителя дана на рис. 2, а. На вход поступает переменное напряжение м, сформированное в виде прямоугольных импульсов, имеющих ширину π (рис. 2,б). Рис. 2. Формирователь импульсов тиристорного пускателя: a — схема получения управляющих импульсов, б — временные диаграммы напряжений в узлах схемы Отрицательное напряжение подается через диод VD1 на базу транзистора VT1 в течение проводящей части периода. В эти отрезки времени напряжение ur4С1 относительно невелико. После того как снимается отрицательное напряжение с базы транзистора VT1 начинает возрастать напряжение ur4С1 практически линейно при больших сопротивлениях г2 и г4. Когда это возрастающее напряжение ur4С1 станет равным управляющему напряжению Uy, появляется напряжение на выходе транзистора VT2. При дифференцировании импульса тока в цепи транзистора VT2 формируется импульс напряжения uвых в цепи управления тиристора. В представленной схеме (рис. 2, а) диод VD4 служит для ограничения отрицательного напряжения, подаваемого на базу транзистора VT2, диод VD3 препятствует замыканию источника управляющего напряжения через разряженный конденсатор С1 или насыщенный транзистор VT1, а диод VD5 ограничивает значение выходного импульса.