Для коммутации и регулирования мощного напряжения используются тиристоры, которые представляют собой разновидность полупроводниковых приборов. Сегодня применяются различные по своей мощности коммутаторы, обеспечивающие правильную работу электросети. Нужно лишь грамотно выбрать ВАХ (вольтамперная характеристика) тиристора, что позволяет исключить поломки оборудования, обеспечивая его правильное функционирование.
Особенности полупроводников
Основное назначение тиристорных ключей — это передача электротока в прямом направлении. В закрытом состоянии полупроводник задерживает прямое и обратное напряжение, обеспечивая тем самым регулировку электросети.
Структура тиристоров включает три вывода:
- Управляющий электрод.
- Катод.
- Анод.
Все полупроводники имеют свои вольтамперные характеристики, по которым можно судить о назначении и состоянии этого элемента. Мощные ключи способны работать при напряжении в 5000 вольт, а максимально допустимая сила тока составляет 5000 ампер.
Принцип работы
Принцип работы тиристора чрезвычайно прост: его включение осуществляется за счёт подачи на вывод мощных токовых импульсов. Такие сигналы по отношению к катодам должны быть положительными. На работу тиристора влияет температура полупроводника и способ приложения напряжения и тока на используемые в схеме ключи.
В электроцепи, где используются тиристоры, исключается высокая скорость нарастания напряжения, что может привести к самопроизвольному включению элемента. Поэтому устанавливаются дополнительные диоды и цепи, которые обеспечивают выравнивание напряжения, предупреждая паразитные всплески. Одной из особенностей использования ключей является наличие в цепи крутизны характеристик сигнала управления, что необходимо для их правильной работы.
Основные разновидности
На сегодняшний день существует несколько основных типов полупроводников, которые отличаются своей конструкцией, принципом коммутации и рядом других параметров. Наибольшее распространение получили следующие виды тиристоров:
Оптические ключи, предназначенные для управления потоками света.- Тиристоры с полевым транзистором управления.
- Инверторные полупроводники, характеризующиеся высокой скоростью коммутации.
- Симметричные модификации позволяют заменить два подключённых встречно-параллельно полупроводника.
- Диодные переходят в состояние проводимости при превышении пиковых показателей напряжения.
Параметры и ВАХ тиристоров в зависимости от их типа существенно различаются. Соответственно, подобрав ту или иную разновидность, можно будет обеспечить правильное функционирование электроцепей, упростив схему выполнения оборудования.
Способы коммутации
Управление работой ключей выполняется при помощи соответствующих сигналов коммутации, которые позволяют открывать и закрывать входы, обеспечивая при этом правильную работу электрооборудования.
Принято выделять два способа коммутации:
- Принудительный.
- Естественный.
Естественная коммутация проводников возникает в тех случаях, когда ключ используется с переменным током. Перенаправление происходит при падении электротока до нулевого значения. Такой способ управления приборами не получил должного распространения, так как при его использовании сложно обеспечить правильность работы электроцепи, существенно снижая функционал тиристоров.
При принудительной коммутации необходимы дополнительные конденсаторы, которые заранее заряжаются за счёт нажатия кнопки ключа. В используемую схему управления дополнительно включается LC-цепь, обязательным условием в которой является заряженный конденсатор. Мощные колебания тока происходят при переходе в нагрузочной цепи, что позволяет осуществлять коммутацию тиристоров. На сегодняшний день именно принудительное управление с полупроводниками получило наибольшее распространение, что объясняется его универсальностью, простотой и максимальной надежностью.
Разновидности схем принудительного управления
Для управления работой ключей могут использоваться различные типы принудительной коммутации. Чаще всего применяют схему с коммутирующим конденсатором с обратной полярностью. Такой диод включается в цепь с помощью дополнительного вспомогательного тиристора, что обеспечивает формирование заряда на рабочий полупроводник.
Ток конденсатора направляется навстречу току с основного ключа, что позволяет снизить напряжение в сети, вплоть до падения этого параметра до нуля. При уменьшении тока происходит отключение тиристора, после чего такт повторяется, что позволяет правильно управлять работой всей электроцепи и отдельных ее элементов в частности.
Также возможно использование схемы принудительной коммутации, где подключены LC-цепочки. В начале коммутации ток от LC-цепочки направляется навстречу рабочему напряжению, происходит их быстрое уравнивание и тиристор отключается.
Из колебательной схемы электроток протекает через ключ в полупроводниковый диод. К тиристорам прикладывается соответствующее напряжение, которое по модулю равняется показателю падения напряжения на диоде.
Использование в мощных схемах
Основное назначение тиристоров — это организация правильной работы мощной схемы. Включив в цепь полупроводники, можно осуществлять следующие операции:
Изменять среднее значение тока, что помогает регулировать подачу сигналов управления.- Отключать или включать электрическую цепь с активной и резистивной нагрузкой.
Особенностью тиристорных ключей является их свойство проводить ток исключительно в одном направлении. Поэтому, используя их в цепях с переменным током, необходимо обеспечить параллельное включение. Средние показатели электротока в момент подача сигналов на тиристоры могут изменяться, что вынуждает использовать дополнительные конденсаторы, для правильной организации работы цепи.
Фазовый способ управления работы с коммутацией принудительного типа позволяет регулировать нагрузку изменением амплитуды напряжения между фазами. Такая искусственная коммутация выполняется с помощью специальных цепей или установки дополнительных запираемых ключей. Фазовый метод управления применяется в зарядных устройствах, где требуется регулировать силу тока, с учетом уровня накопленной энергии аккумулятором.
Широтно-импульсную технологию управления часто называют шим-модуляцией тока. При открытии тиристора подается сигнал управления. В переходной фазе напряжение становится нулевым, что является сигналом к закрытию ключа. Токовая кривая при использовании фазового управления будет не синусоидальной, а полностью зависящей от формы сигналов напряжения питания. Широтно-импульсное управление имеет сложную схему реализации, поэтому такой способ коммутации применяется в промышленном оборудовании и мощных блоках питания.
Правильное подключение и защита
Силовые тиристоры критичны к показателям скорости нарастания тока. Значение электротока при протекании его обратно через ключ может падать до нуля, что приводит к перенапряжению полупроводников. Для защиты ключей используются дополнительные диоды и разнообразные схемы, позволяющие защитить приборы в динамических режимах.
Применение такой схемы позволяет параллельно включать в работу ключи, что предотвращает падение до нуля обратного тока и перенапряжения полупроводников. На сегодняшний день имеется множество вариантов схематических модификаций цепей, которые используются в зависимости от параметров работы тиристоров в различных условиях и режимах.
