الثايرستور: مبدأ التشغيل والتصميم وأنواع وطرق التضمين

مبدأ عمل الثايرستور

الثايرستور هو مفتاح كهربائي إلكتروني لا يمكن التحكم فيه بالكامل. لذلك ، يُطلق عليه أحيانًا في الأدبيات الفنية الثايرستور أحادي العملية ، والذي يمكن تحويله إلى حالة موصلة فقط عن طريق إشارة تحكم ، أي يمكن تشغيله. لإيقاف تشغيله (في العملية الحالية المباشرة) ، يجب اتخاذ تدابير خاصة لضمان انخفاض التيار المباشر إلى الصفر.

يمكن لمفتاح الثايرستور إجراء التيار في اتجاه واحد فقط ، وفي الحالة المغلقة يكون قادرًا على تحمل كل من الجهد الأمامي والخلفي.

يحتوي الثايرستور على هيكل من أربع طبقات p-n-p-n مع ثلاثة خيوط: الأنود (A) والكاثود (C) والبوابة (G) ، كما هو موضح في الشكل. 1

أرز. 1. الثايرستور التقليدي: أ) - تعيين الرسم التقليدي ؛ ب) - خاصية فولت أمبير.

في التين. يُظهر الشكل 1 ب عائلة من خصائص I-V الساكنة عند قيم مختلفة للتحكم الحالي في iG. الحد الأقصى للجهد الأمامي الذي يستطيع الثايرستور تحمله دون تشغيله له قيم قصوى عند iG = 0.مع زيادة التيار ، يقلل iG من الجهد الذي يمكن أن يتحمله الثايرستور. تتوافق حالة الثايرستور مع الفرع الثاني ، وتتوافق حالة الإيقاف مع الفرع الأول ، وتتوافق عملية التبديل مع الفرع الثالث. تيار الإمساك أو تيار الإمساك يساوي الحد الأدنى المسموح به للتيار الأمامي iA الذي يظل الثايرستور موصلاً عنده. تتوافق هذه القيمة أيضًا مع أدنى قيمة ممكنة لانخفاض الجهد الأمامي عبر الثايرستور.

يمثل الفرع الرابع اعتماد تيار التسرب على الجهد العكسي. عندما يتجاوز الجهد العكسي قيمة UBO ، تبدأ زيادة حادة في التيار العكسي ، مرتبطة بفشل الثايرستور. قد تتوافق طبيعة الانهيار مع عملية لا رجعة فيها أو عملية انهيار الانهيار الجليدي المتأصلة في تشغيل الصمام الثنائي زينر أشباه الموصلات.

الثايرستور هي أقوى المفاتيح الإلكترونية ، وهي قادرة على تبديل الدوائر بجهد يصل إلى 5 كيلو فولت وتيارات تصل إلى 5 كيلو أمبير بتردد لا يزيد عن 1 كيلو هرتز.

يظهر تصميم الثايرستور في الشكل. 2.

أرز. 2. تصميم صناديق الثايرستور: أ) - قرص. ب) - دبوس

DC الثايرستور

يتم تشغيل الثايرستور التقليدي عن طريق تطبيق نبضة تيار على دائرة التحكم بقطبية موجبة بالنسبة للكاثود. تتأثر مدة الانتقال أثناء التشغيل بشكل كبير بطبيعة الحمل (نشط ، حثي ، إلخ) ، سعة ومعدل ارتفاع نبض تيار التحكم iG ، درجة حرارة هيكل أشباه الموصلات للثايرستور ، الجهد المطبق وتحميل التيار.في الدائرة التي تحتوي على الثايرستور ، يجب ألا تكون هناك قيم غير مقبولة لمعدل ارتفاع الجهد الأمامي duAC / dt ، حيث يمكن أن يحدث التنشيط التلقائي للثايرستور في غياب إشارة التحكم iG ومعدل الارتفاع من اليوم الحالي / دينار. في الوقت نفسه ، يجب أن يكون منحدر إشارة التحكم مرتفعًا.

من بين طرق إيقاف تشغيل الثايرستور ، من المعتاد التمييز بين إيقاف التشغيل الطبيعي (أو التبديل الطبيعي) والقسري (أو التبديل الاصطناعي). يحدث التبديل الطبيعي عندما يعمل الثايرستور في دوائر متناوبة في الوقت الحالي ينخفض ​​التيار إلى الصفر.

إن طرق التحويل القسري متنوعة للغاية ، وأكثرها شيوعًا هي التالية: توصيل مكثف مشحون مسبقًا C بمفتاح S (الشكل 3 ، أ) ؛ توصيل دائرة LC بمكثف مشحون مسبقًا CK (الشكل 3 ب) ؛ استخدام الطبيعة التذبذبية للعملية العابرة في دائرة الحمل (الشكل 3 ، ج).

أرز. 3. طرق التحويل الاصطناعي للثايرستور: أ) - عن طريق مكثف مشحون C ؛ ب) - عن طريق التفريغ التذبذب لدائرة LC ؛ ج) - بسبب الطبيعة المتقلبة للحمل

عند التبديل حسب الرسم التخطيطي في الشكل. 3 وتوصيل مكثف تبديل للقطبية العكسية ، على سبيل المثال مع ثايرستور إضافي آخر ، سيؤدي إلى تفريغه إلى الثايرستور الرئيسي الموصل. نظرًا لأن تيار التفريغ للمكثف موجه ضد التيار الأمامي للثايرستور ، فإن الأخير ينخفض ​​إلى الصفر وينطفئ الثايرستور.

في مخطط التين. في الشكل 3 ، ب ، يؤدي توصيل دائرة LC إلى تفريغ متذبذب لمكثف التبديل CK.في هذه الحالة ، في البداية ، يتدفق تيار التفريغ عبر الثايرستور عكس تياره الأمامي ، عندما يصبحان متساويين ، ينطفئ الثايرستور. بالإضافة إلى ذلك ، يمر تيار دائرة LC من الثايرستور VS إلى الصمام الثنائي VD. عندما يتدفق تيار الحلقة عبر الصمام الثنائي VD ، سيتم تطبيق جهد عكسي يساوي انخفاض الجهد عبر الصمام الثنائي المفتوح على الثايرستور VS.

في مخطط التين. 3 ، سيؤدي توصيل الثايرستور VS بحمل RLC المعقد إلى حدوث عابر. مع معلمات معينة للحمل ، يمكن أن يكون لهذه العملية طابع تذبذب مع تغيير في قطبية تيار الحمل. في هذه الحالة ، بعد إيقاف تشغيل الثايرستور VS ، يتم تشغيل الصمام الثنائي VD ، والذي يبدأ في إجراء تيار قطبية معاكسة. في بعض الأحيان تسمى طريقة التحويل هذه شبه طبيعية لأنها تنطوي على تغيير في قطبية تيار الحمل.

AC الثايرستور

عندما يتم توصيل الثايرستور بدائرة التيار المتردد ، يمكن إجراء العمليات التالية:

• تشغيل وإيقاف الدائرة الكهربائية بحمل نشط ونشط ؛

• التغيير في القيم الحالية المتوسطة والفعالة من خلال الحمل بسبب حقيقة أنه من الممكن ضبط توقيت إشارة التحكم.

نظرًا لأن مفتاح الثايرستور قادر على توصيل التيار الكهربائي في اتجاه واحد فقط ، فعند استخدام الثايرستور الحالي المتناوب ، يتم استخدام اتصالهما المتوازي (الشكل 4 ، أ).

أرز. 4. الاتصال المضاد الموازي للثايرستور (أ) وشكل التيار مع الحمل النشط (ب)

متوسط ​​و تيار فعال تختلف بسبب التغيير في الوقت الذي يتم فيه تطبيق إشارات الفتح على الثايرستور VS1 و VS2 ، أي عن طريق تغيير الزاوية و (الشكل 4 ، ب).يتم تغيير قيم هذه الزاوية للثايرستور VS1 و VS2 أثناء التنظيم في وقت واحد بواسطة نظام التحكم. تسمى الزاوية بزاوية التحكم أو زاوية إطلاق الثايرستور.

الأكثر استخدامًا في الأجهزة الإلكترونية للطاقة هي الطور (الشكل 4 ، أ ، ب) والتحكم في الثايرستور بعرض النبضة (الشكل 4 ، ج).

أرز. 5. نوع جهد الحمل عند: أ) - التحكم في طور الثايرستور ؛ ب) - التحكم في طور الثايرستور مع التخفيف القسري ؛ ج) - التحكم في عرض النبض الثايرستور

مع طريقة الطور للتحكم في الثايرستور مع التبديل القسري ، يمكن تنظيم تيار الحمل عن طريق تغيير الزاوية والزاوية؟ ... يتم إجراء التبديل الاصطناعي باستخدام عقد خاصة أو باستخدام الثايرستور المتحكم فيه بالكامل (قفل).

مع التحكم في عرض النبضة (تعديل عرض النبضة - PWM) أثناء Totkr ، يتم تطبيق إشارة تحكم على الثايرستور ، وهي مفتوحة ويتم تطبيق الجهد Un على الحمل. خلال زمن Tacr ، تكون إشارة التحكم غائبة ويكون الثايرستور في حالة غير موصلة. قيمة RMS للتيار في الحمل

أين في م - تيار الحمل عند Tcl = 0.

المنحنى الحالي في الحمل مع التحكم في الطور للثايرستور غير جيبي ، مما يتسبب في تشويه شكل جهد شبكة الإمداد والاضطرابات في عمل المستهلكين الحساسين للاضطرابات عالية التردد - يحدث ما يسمى. عدم التوافق الكهرومغناطيسي.

قفل الثايرستور

الثايرستور هي أقوى المفاتيح الإلكترونية المستخدمة لتبديل دوائر الجهد العالي والتيار العالي (التيار العالي).ومع ذلك ، فإن لديهم عيبًا كبيرًا - عدم اكتمال التحكم ، والذي يتجلى في حقيقة أنه من أجل إيقاف تشغيلهم ، من الضروري تهيئة الظروف لتقليل التيار الأمامي إلى الصفر. هذا في كثير من الحالات يحد من استخدام الثايرستور ويعقده.

للتخلص من هذا العيب ، تم تطوير الثايرستور الذي يتم قفله بواسطة إشارة من قطب التحكم G. ويطلق على هذه الثايرستور بوابة إيقاف الثايرستور (GTO) أو التشغيل المزدوج.

قفل الثايرستور (ZT) له هيكل رباعي الطبقات p-p-p-p ، ولكن في نفس الوقت يحتوي على عدد من ميزات التصميم المهمة التي تمنحهم اختلافًا تامًا عن الثايرستور التقليدي - خاصية التحكم الكامل. تتطابق خاصية I-V الثابتة الخاصة بإيقاف تشغيل الثايرستور في الاتجاه الأمامي مع خاصية I-V المميزة للثايرستور التقليدي. ومع ذلك ، فإن الثايرستور المثبت عادةً ما يكون غير قادر على منع الفولتية العكسية الكبيرة وغالبًا ما يكون متصلاً بصمام ثنائي موازٍ مضاد. بالإضافة إلى ذلك ، تتميز الثايرستور القفل بانخفاض كبير في الجهد الأمامي. لإيقاف تشغيل الثايرستور القفل ، من الضروري تطبيق نبضة قوية من التيار السالب (تقريبًا 1: 5 بالنسبة إلى قيمة تيار إيقاف التشغيل الثابت) على دائرة القطب الكهربائي للإغلاق ، ولكن لمدة قصيرة (10- 100 ميكرو ثانية).

يحتوي الثايرستور المثبت أيضًا على جهد وتيارات قطع أقل (بحوالي 20-30 ٪) من الثايرستور التقليدي.

الأنواع الرئيسية من الثايرستور

باستثناء الثايرستور المثبت ، تم تطوير مجموعة واسعة من الثايرستور من أنواع مختلفة ، تختلف في السرعة ، وعمليات التحكم ، واتجاه التيارات في حالة التوصيل ، وما إلى ذلك.من بينها ، يجب ملاحظة الأنواع التالية:

• الثايرستور الثنائي ، وهو ما يعادل الثايرستور مع الصمام الثنائي المتوازي المتصل (الشكل 6.12 ، أ) ؛

• ثايرستور الصمام الثنائي (دينستور) ، التحول إلى حالة موصلة عند تجاوز مستوى جهد معين ، يتم تطبيقه بين A و C (الشكل 6 ، ب) ؛

• قفل الثايرستور (الشكل 6.12 ، ج) ؛

• الثايرستور المتماثل أو التيرستورات ، وهو ما يعادل اثنين من الثايرستور المتصلين المتصلين (الشكل 6.12 ، د) ؛

• الثايرستور العاكس عالي السرعة (وقت التوقف 5-50 ميكرو ثانية) ؛

• الثايرستور الميداني ، على سبيل المثال ، بناءً على مزيج من ترانزستور MOS مع الثايرستور ؛

• الثايرستور البصري يتحكم فيه تدفق الضوء.

أرز. 6. تعيين الرسم التقليدي للثايرستور: أ) - الثايرستور الصمام الثنائي ؛ ب) - الصمام الثنائي الثايرستور (الدينستور) ؛ ج) - قفل الثايرستور ؛ د) - التيرستورات

حماية الثايرستور

الثايرستور هي أجهزة مهمة لمعدل ارتفاع التيار الأمامي diA / dt وانخفاض الجهد duAC / dt. تتميز الثايرستور ، مثل الثنائيات ، بظاهرة تيار الاسترداد العكسي ، الذي يؤدي انخفاضه الحاد إلى الصفر إلى تفاقم إمكانية زيادة الجهد مع قيمة duAC / dt عالية. هذه الفولتية الزائدة هي نتيجة الانقطاع المفاجئ للتيار في العناصر الحثية للدائرة ، بما في ذلك المحاثات الصغيرة تثبيت. لذلك ، عادةً ما يتم استخدام مخططات CFTCP المختلفة لحماية الثايرستور ، والتي توفر الحماية في الأوضاع الديناميكية ضد القيم غير المقبولة لـ diA / dt و duAC / dt.

في معظم الحالات ، تكون المقاومة الحثية الداخلية لمصادر الجهد المتضمنة في دائرة الثايرستور المشمول كافية بحيث لا يتم إدخال محاثة إضافية LS.لذلك ، من الناحية العملية ، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى CFTs التي تقلل مستوى وسرعة زيادات التعثر المفاجئة (الشكل 7).

أرز. 7. دائرة حماية الثايرستور النموذجية

عادة ما تستخدم دوائر RC المتصلة بالتوازي مع الثايرستور لهذا الغرض. هناك العديد من التعديلات على الدوائر لدوائر RC وطرق حساب معلماتها لظروف مختلفة لاستخدام الثايرستور.

بالنسبة للثايرستور القفل ، تُستخدم الدوائر لتشكيل مسار تبديل ، مشابه في الدائرة لترانزستورات CFTT.