![]() |
Полупроводниковый «выключатель с защёлкой»Чтобы понять, чем этот прибор так ценен, стоит представить дверь с защёлкой. Достаточно один раз нажать на ручку, и дверь остаётся открытой, пока кто-то не перекроет проход. Точно так же ведёт себя тиристор: короткий управляющий импульс включает его, и дальше он проводит ток сам. Такое поведение определило его роль в силовой электронике.
Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам со структурой из четырёх чередующихся слоёв, p-n-p-n. Три вывода называются анод, катод и управляющий электрод. Пока на управляющий электрод не подан сигнал, прибор заперт и почти не пропускает ток, даже если между анодом и катодом приложено высокое напряжение. Стоит подать короткий импульс, и сопротивление падает почти до нуля.
Как устроен и как работает тиристорЧетыре слоя образуют три p-n-перехода. Если анод положителен относительно катода, два крайних перехода открыты, а средний закрыт и держит на себе всё напряжение. Импульс тока в управляющий электрод запускает лавинообразный процесс. Слои начинают помогать друг другу: ток одной пары слоёв усиливает ток другой пары. Заканчивается это полным включением прибора.
Дальше начинается самое интересное. Управляющий сигнал больше не нужен, и его можно снять. Тиристор останется открытым, пока ток через него не упадёт ниже определённой величины, которую называют током удержания. Есть и другой параметр, ток включения. Это минимальный ток, который должен успеть установиться, пока идёт управляющий импульс. Если импульс закончится раньше, тиристор вернётся в запертое состояние.
В открытом состоянии падение напряжения на приборе невелико, обычно порядка одного-двух вольт. Поэтому потери на нём малы, даже когда через него идут сотни и тысячи ампер. Это очень выгодное свойство для мощных преобразователей.
Почему выключить тиристор труднее, чем включитьВ цепи переменного тока проблема решается сама. Синусоида через каждые полпериода проходит через ноль, ток падает ниже тока удержания, и тиристор закрывается. Этот способ называют естественной коммутацией. Из-за него тиристоры так хорошо прижились в сетях переменного тока.
В цепи постоянного тока всё сложнее. Ток сам не исчезнет, поэтому тиристор приходится выключать принудительно. Для этого применяют дополнительные схемы, например конденсатор, который на короткое время подаёт встречное напряжение. Кроме того, после снижения тока прибору нужно время, чтобы восстановить запирающие свойства. У обычных тиристоров оно измеряется десятками и сотнями микросекунд. Из-за этого они заметно уступают в скорости транзисторам.
Фазовое управление: как «отрезать» кусочек синусоидыОдин из самых наглядных приёмов работы с тиристорами называют фазовым управлением. Тиристор включают не в начале полупериода сетевого напряжения, а с задержкой. Чем позже подан управляющий импульс, тем меньшая часть синусоиды доходит до нагрузки и тем меньше средняя мощность.
Так работают регуляторы яркости освещения, регуляторы температуры паяльников и нагревателей, а также многие схемы управления двигателями. Вся сила прибора в том, что регулировка происходит почти без потерь. Лишняя энергия не превращается в тепло на резисторе, как в простом реостате. Она просто не поступает в нагрузку.
У метода есть и обратная сторона. Резкий срез синусоиды искажает форму тока в сети, порождает высшие гармоники и радиопомехи, а также ухудшает коэффициент мощности. Поэтому мощные установки дополняют фильтрами.
Разновидности тиристоровСлово «тиристор» объединяет целое семейство приборов. Вот основные из них:
- Однооперационный (незапираемый) тиристор включается сигналом управления, а выключается только снижением тока ниже тока удержания. Это классический вариант для силовых выпрямителей и регуляторов.
- Запираемый тиристор (GTO) можно не только включить, но и выключить, подав в управляющий электрод ток обратной полярности. Для этого нужен мощный импульс, зато внешние схемы принудительного выключения не требуются.
- Симистор (триак) проводит ток в обоих направлениях и заменяет два встречно-параллельных тиристора. Его часто ставят в бытовые регуляторы и электроинструмент.
- Динистор не имеет управляющего электрода. Он включается, когда напряжение между анодом и катодом достигает порога, и обычно служит формирователем импульсов для запуска других приборов.
- Фототиристор (оптотиристор) управляется световым импульсом. Это дает гальваническую развязку между цепью управления и силовой цепью, что важно при очень высоких напряжениях.
К этой же линейке примыкает интегрированный тиристор с коммутируемым затвором, IGCT. Он создан для мощных преобразователей и объединяет достоинства запираемых приборов и мощных ключей.
Где работают тиристорыОбласть применения шире, чем кажется. В электроприводах тиристорные преобразователи регулируют скорость двигателей постоянного тока в прокатных станах, подъёмных механизмах и на транспорте. Сварочное оборудование использует их для регулировки тока дуги. Устройства плавного пуска не дают мощным двигателям рывком «хватать» ток из сети.
Особое место занимают линии электропередачи постоянного тока высокого напряжения. Там электроэнергия переменного тока преобразуется в постоянный, передаётся на большие расстояния, а затем снова превращается в переменный. Основу таких преобразовательных станций составляют тиристорные вентили. Их собирают из множества тиристоров, соединённых последовательно, чтобы вместе выдержать напряжение, во много раз превышающее предел одного прибора. В такие сборки закладывают запасные приборы, поэтому отказ отдельных тиристоров не останавливает всю линию.
Есть и защитная роль. В схемах типа «crowbar» тиристор при опасном скачке напряжения мгновенно замыкает источник питания накоротко. Сгорает предохранитель, а дорогая электроника остаётся цела. Такое решение простое и надёжное.
Слабые места и способы их обходаТиристор чувствителен к скорости нарастания напряжения (dv/dt) и тока (di/dt). При слишком резком скачке напряжения он может включиться без команды, а при слишком быстром росте тока перегреется небольшой участок кристалла. Защищают его демпфирующими RC-цепочками и дросселями, которые сглаживают резкие броски.
Второй нюанс связан с нагревом. Даже небольшое падение напряжения при токе в сотни ампер даёт заметное тепло. Мощные тиристоры делают в виде таблеток, которые зажимают между двумя радиаторами. Так тепло отводится с обеих сторон, а надёжный прижим обеспечивает и электрический контакт.
Тиристоры и транзисторы: не соперники, а разные инструментыМощные транзисторы, например IGBT, включаются и выключаются по команде, работают на высоких частотах и удобны в управлении. Поэтому во многих областях они вытеснили тиристоры. Но там, где нужны предельные напряжения и токи, высокая устойчивость к перегрузкам и простота конструкции, тиристоры продолжают быть выгодным выбором.
Выбор между ними похож на выбор между скальпелем и топором. Один точен и быстр, другой создан для тяжёлой работы. Инженер берёт тот инструмент, который лучше подходит для задачи. |
|
| |
Войти
