Цель работы – ознакомление с основами управления тиристоров и принципами формирования импульсов управления тиристорного выпрямителя. Знакомство со схемой формирования импульсов управления и её основными составляющими.

Теоретические сведения

Тиристорами называют полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре или более слоев) p-n структур, способные переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее) состояние.

Рис. 4.1. Условно-графическое изображение тиристора с катодным управлением

Рис. 4.2. Четырехслойная структура тиристора

Тиристор представляет собой четырехслойную структуру полупроводников p и n- типов проводимости (см. рис. 4.2).

Вывод от крайней области P₁ называют анодом, вывод от крайней области N₂ называю катодом, а вывод от одной из промежуточных областей (N₁ или P₂) называют управляющим электродом. П₁, П₂, П₃ – p-n переходы (см. рис. 4.2).

В зависимости, от какой промежуточной области тиристора сделан вывод управляющего электрода, различают тиристоры с анодным и с катодным управлением.

Если на анод тиристора подать положительный потенциал относительно катода, то p-n переходы П₁ и П₃ будут смещены в прямом направлении, а p-n переход П₂ – в обратном. Сопротивление этого p-n перехода большое. Поэтому большая часть напряжения U_A будет приложена к переходу П₂ и анодный ток тиристора представляет собой малый обратный ток этого перехода. Сопротивление прибора в целом большое, ток, текущий через тиристор, очень мал. В этом случае говорят, что тиристор находится в закрытом состоянии.

Если между управляющим электродом и катодом пропустить небольшой ток управления I_У, то в зависимости от величины этого тока произойдет переключение тиристора из закрытого в открытое состояние. Сопротивление тиристора в открытом состоянии небольшое (менее одного Ома) и ток, текущий через тиристор, будет определяться в основном сопротивлением нагрузки R_H. Напряжение U_A, при котором тиристор переключается в проводящее состояние, при определенном напряжении (токе) на управляющем электроде U_У (I_У) называют напряжением включения U_вкл или напряжение переключения U_пер. тиристора.

Тиристор может находиться во включенном состоянии неограниченно долго, пока существуют условия для протекания в его основной цепи достаточного анодного тока, т.е. включенное состояние тиристора является устойчивым.

Структуру тиристора можно изобразить в виде двух транзисторов разной электропроводности, соединенных между собой так, как показано на данном слайде (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3. Структура и схема двухтранзисторной модели тиристора

В данный момент управляемые выпрямители на основе тиристоров получили широкое распространение и в промышленности, и в быту. В зависимости от назначения выпрямителя существует множество различных схем их реализации. Наиболее удобными для понимания принципов работы являются однофазные одно- и двухполупериодные управляемые выпрямители (см. рис. 4.4).

Рис. 4.4. Типовые электрические схемы однофазных управляемых выпрямителей:

а) однополупериодного;

б) двухполупериодного

Основные отличия однофазных управляемых от неуправляемых и однополупериодных от двухполупериодных выпрямителей можно видеть при анализе временных диаграмм, поясняющих работу (см. рис. 4.5).

На приведенных ниже диаграммах в качестве основной характеристики выпрямителя представлена форма выпрямленного напряжения. Данные характеристики представлены для активной нагрузки.

Время на диаграмме отложено по оси в градусах, данная мера принята с целью устранения привязки к реальному времени и зависимости от частоты входного напряжения выпрямителя. Для частоты 50 Гц 360⁰ соответствует 0,02 с.

Из представленных ниже диаграмм при анализе однофазных неуправляемых выпрямителей, очевидно, что основным отличием выпрямителя однополупериодного от духполупериодного является отсутствие полуволны выходного напряжения при отрицательной полуволне входного напряжения, в случае с однополупериодным выпрямителем. В случае с двухполупериодным выпрямителем – отрицательная полуволна входного напряжения преобразуется в положительную полуволну выходного напряжения.

Рис. 4.5. Временные диаграммы, поясняющие принцип работы однофазных неуправляемых и управляемых выпрямителей

Из анализа диаграмм (см. рис. 4.5) основным отличием однофазного управляемого выпрямителя от неуправляемого является форма выходного напряжения. В случае с неуправляемым выпрямителем напряжение на выходе повторяет форму синусоидального напряжения на входе (в случае с положительной составляющей входного синусоидального напряжения, при отрицательной составляющей синусоидального напряжения). При реализации схемы управляемого выпрямителя форма выходного напряжения повторяет форму входного напряжения частично, «обрезая» часть синусоидальной формы, тем самым осуществляя регулирование среднего значения выпрямленного напряжения.

Для реализации управления тиристорами в схемах выпрямителей применяются слаботочные системы формирования управляющих импульсов. Существуют аналоговые и цифровые импульсно-фазовые системы управления (ИФСУ), формирующие импульсы управления тиристорным выпрямителем.

Широкое распространение получила аналоговая ИФСУ, структурная схема представлена ниже.

Рис. 4.6. Структурная схема управления тиристорным выпрямителем

Структурная схема состоит из следующих блоков:

- генератор линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН);

- компаратор;

- формирователь длительности импульса (ФДИ);

- управляющий электрод тиристора (УЭ).

На блок «ГЛИН» поступает синусоидальное напряжение, совпадающее по фазе с синусоидальным напряжением, поступающим на управляемый выпрямитель. В данном блоке формируется пилообразное напряжение, данное напряжение поступает на «компаратор», который осуществляет сравнение с напряжением контроля (U_К) и формирует начало импульса, который длится на протяжении момента времени, когда напряжение на «пиле» превышает значение напряжения контроля. Данные импульсы поступают на блок «ФДИ», который срабатывает по переднему фронту импульса и формирует его заданной длительности. С данного блока импульсы, с формированной длительностью, поступают на «УЭ».