थायरिस्टर्स: ऑपरेशनचे सिद्धांत, डिझाइन, प्रकार आणि समावेश करण्याच्या पद्धती

थायरिस्टरच्या ऑपरेशनचे सिद्धांत

थायरिस्टर एक पॉवर इलेक्ट्रॉनिक आहे, पूर्णपणे नियंत्रण करण्यायोग्य स्विच नाही. म्हणून, काहीवेळा तांत्रिक साहित्यात याला सिंगल-ऑपरेशन थायरिस्टर म्हणतात, जे केवळ नियंत्रण सिग्नलद्वारे कंडक्टिंग स्टेटमध्ये स्विच केले जाऊ शकते, म्हणजेच ते चालू केले जाऊ शकते. ते बंद करण्यासाठी (डायरेक्ट करंट ऑपरेशनमध्ये), डायरेक्ट करंट शून्यावर जाईल याची खात्री करण्यासाठी विशेष उपाययोजना करणे आवश्यक आहे.

थायरिस्टर स्विच फक्त एका दिशेने विद्युत प्रवाह चालवू शकतो आणि बंद स्थितीत ते फॉरवर्ड आणि रिव्हर्स व्होल्टेज दोन्हीचा सामना करण्यास सक्षम आहे.

थायरिस्टरमध्ये तीन लीड्ससह चार-स्तर p-n-p-n रचना आहे: एनोड (ए), कॅथोड (सी) आणि गेट (जी), जी अंजीर मध्ये दर्शविली आहे. १

तांदूळ. 1. पारंपारिक thyristor: a) — पारंपारिक ग्राफिक पदनाम; b) — व्होल्ट-अँपिअर वैशिष्ट्य.

अंजीर मध्ये. 1b आउटपुट स्टॅटिक I — V वैशिष्ट्यांचे कुटुंब दर्शविते नियंत्रण चालू iG च्या भिन्न मूल्यांवर. थायरिस्टर चालू न करता जे मर्यादित फॉरवर्ड व्होल्टेज सहन करू शकते त्याची कमाल मूल्य iG = 0 आहे.जसजसा विद्युतप्रवाह वाढतो, iG thyristor सहन करू शकणारा व्होल्टेज कमी करतो. थायरिस्टरची ऑन स्थिती शाखा II शी संबंधित आहे, बंद स्थिती शाखा I शी संबंधित आहे आणि स्विचिंग प्रक्रिया शाखा III शी संबंधित आहे. होल्डिंग करंट किंवा होल्डिंग करंट किमान स्वीकार्य फॉरवर्ड करंट iA च्या बरोबरीचे आहे ज्यावर थायरिस्टर चालू राहते. हे मूल्य ऑन थायरिस्टरवर फॉरवर्ड व्होल्टेज ड्रॉपच्या किमान संभाव्य मूल्याशी देखील संबंधित आहे.

शाखा IV रिव्हर्स व्होल्टेजवर गळती करंटचे अवलंबित्व दर्शवते. जेव्हा रिव्हर्स व्होल्टेज UBO च्या मूल्यापेक्षा जास्त होते, तेव्हा रिव्हर्स करंटमध्ये तीव्र वाढ सुरू होते, थायरिस्टरच्या अपयशाशी संबंधित. ब्रेकडाउनचे स्वरूप अपरिवर्तनीय प्रक्रियेशी किंवा अर्धसंवाहक झेनर डायोडच्या ऑपरेशनमध्ये अंतर्निहित हिमस्खलन ब्रेकडाउन प्रक्रियेशी संबंधित असू शकते.

थायरिस्टर्स हे सर्वात शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक स्विच आहेत, जे 1 kHz पेक्षा जास्त नसलेल्या वारंवारतेवर 5 kV पर्यंतच्या व्होल्टेजसह सर्किट्स आणि 5 kA पर्यंतचे प्रवाह स्विच करण्यास सक्षम आहेत.

थायरिस्टर्सची रचना अंजीर मध्ये दर्शविली आहे. 2.

तांदूळ. 2. थायरिस्टर बॉक्सची रचना: अ) — टॅब्लेट; ब) - एक पिन

डीसी थायरिस्टर

कॅथोडच्या सापेक्ष सकारात्मक ध्रुवीयतेसह नियंत्रण सर्किटवर वर्तमान नाडी लागू करून पारंपारिक थायरिस्टर चालू केले जाते. टर्न-ऑन दरम्यान क्षणिक कालावधी लोडच्या स्वरूपामुळे (सक्रिय, प्रेरक, इ.), नियंत्रण वर्तमान पल्स आयजीचे मोठेपणा आणि वाढीचा दर, थायरिस्टरच्या सेमीकंडक्टर स्ट्रक्चरचे तापमान, लक्षणीयरीत्या प्रभावित होते. लागू व्होल्टेज आणि लोड करंट.थायरिस्टर असलेल्या सर्किटमध्ये, फॉरवर्ड व्होल्टेज duAC / dt च्या वाढीच्या दराची कोणतीही अस्वीकार्य मूल्ये असू नयेत, जेथे नियंत्रण सिग्नल iG च्या अनुपस्थितीत थायरिस्टरचे उत्स्फूर्त सक्रियकरण होऊ शकते आणि वर्तमान diA / dt पासून वाढ. त्याच वेळी, नियंत्रण सिग्नलचा उतार जास्त असणे आवश्यक आहे.

थायरिस्टर्स बंद करण्याच्या पद्धतींपैकी, नैसर्गिक टर्न-ऑफ (किंवा नैसर्गिक स्विचिंग) आणि सक्ती (किंवा कृत्रिम स्विचिंग) यांच्यात फरक करण्याची प्रथा आहे. जेव्हा विद्युत् प्रवाह शून्यावर येतो तेव्हा थायरिस्टर्स वैकल्पिक सर्किटमध्ये कार्य करतात तेव्हा नैसर्गिक बदल घडतात.

सक्तीने स्विच करण्याच्या पद्धती खूप वैविध्यपूर्ण आहेत त्यापैकी सर्वात वैशिष्ट्यपूर्ण खालील आहेत: स्विच एस सह प्री-चार्ज केलेले कॅपेसिटर सी कनेक्ट करणे (आकृती 3, अ); प्री-चार्ज केलेल्या कॅपेसिटर सीके (आकृती 3 ब) सह LC सर्किट कनेक्ट करणे; लोड सर्किट (आकृती 3, c) मध्ये क्षणिक प्रक्रियेच्या दोलनात्मक स्वरूपाचा वापर.

तांदूळ. 3. थायरिस्टर्सच्या कृत्रिम स्विचिंगच्या पद्धती: a) — चार्ज केलेल्या कॅपेसिटर C च्या सहाय्याने; b) — एलसी सर्किटच्या दोलनात्मक डिस्चार्जद्वारे; c) — भाराच्या चढउतार स्वभावामुळे

अंजीर मधील आकृतीनुसार स्विच करताना. 3 आणि रिव्हर्स पोलॅरिटीचा स्विचिंग कॅपेसिटर, उदाहरणार्थ दुसर्‍या ऑक्झिलरी थायरिस्टरशी जोडल्याने, ते कंडक्टिंग मेन थायरिस्टरमध्ये डिस्चार्ज होईल. कॅपेसिटरचा डिस्चार्ज करंट थायरिस्टरच्या फॉरवर्ड करंटच्या विरूद्ध निर्देशित केला जात असल्याने, नंतरचे शून्यावर कमी होते आणि थायरिस्टर बंद होते.

अंजीर च्या चित्रात. 3, b, LC सर्किटच्या कनेक्शनमुळे स्विचिंग कॅपेसिटर CK चे दोलन डिस्चार्ज होते.या प्रकरणात, सुरुवातीला, डिस्चार्ज करंट थायरिस्टरमधून त्याच्या फॉरवर्ड करंटच्या विरूद्ध वाहतो, जेव्हा ते समान होतात, तेव्हा थायरिस्टर बंद होते. याव्यतिरिक्त, एलसी-सर्किटचा प्रवाह thyristor VS पासून डायोड VD पर्यंत जातो. डायोड VD मधून लूप करंट वाहताना, ओपन डायोडवर व्होल्टेज ड्रॉपच्या समान रिव्हर्स व्होल्टेज थायरिस्टर VS वर लागू केले जाईल.

अंजीर च्या चित्रात. 3, थायरिस्टर VS ला जटिल RLC लोडशी जोडल्याने क्षणिक होईल. लोडच्या काही पॅरामीटर्ससह, या प्रक्रियेमध्ये लोड करंटच्या ध्रुवीयतेमध्ये बदलासह एक दोलन वर्ण असू शकतो. या प्रकरणात, थायरिस्टर व्हीएस बंद केल्यानंतर, डायोड व्हीडी चालू होतो, जो विद्युत प्रवाह चालविण्यास प्रारंभ करतो. विरुद्ध ध्रुवीयता. कधीकधी स्विचिंगच्या या पद्धतीला अर्ध-नैसर्गिक म्हटले जाते कारण त्यात लोड करंटच्या ध्रुवीयतेमध्ये बदल समाविष्ट असतो.

एसी थायरिस्टर

जेव्हा थायरिस्टर एसी सर्किटशी जोडलेले असते, तेव्हा खालील ऑपरेशन्स शक्य असतात:

• सक्रिय आणि सक्रिय-प्रतिक्रियाशील लोडसह इलेक्ट्रिक सर्किट चालू आणि बंद करणे;

• नियंत्रण सिग्नलची वेळ समायोजित करणे शक्य आहे या वस्तुस्थितीमुळे लोडद्वारे सरासरी आणि प्रभावी वर्तमान मूल्यांमध्ये बदल.

थायरिस्टर स्विच केवळ एकाच दिशेने विद्युत प्रवाह चालविण्यास सक्षम असल्याने, पर्यायी विद्युत् थायरिस्टर्सच्या वापरासाठी, त्यांचे समांतर कनेक्शन वापरले जाते (चित्र 4, अ).

तांदूळ. 4. थायरिस्टर्सचे अँटी-समांतर कनेक्शन (अ) आणि सक्रिय लोडसह विद्युत् प्रवाहाचा आकार (ब)

सरासरी आणि प्रभावी प्रवाह थायरिस्टर्स व्हीएस 1 आणि व्हीएस 2 वर ओपनिंग सिग्नल लागू केलेल्या वेळेतील बदलामुळे बदलतात, म्हणजे. कोन बदलून आणि (Fig. 4, b).नियमन दरम्यान थायरिस्टर्स VS1 आणि VS2 साठी या कोनाची मूल्ये एकाच वेळी नियंत्रण प्रणालीद्वारे बदलली जातात. कोनाला थायरिस्टरचा नियंत्रण कोन किंवा फायरिंग एंगल म्हणतात.

पॉवर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये सर्वात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे फेज (Fig. 4, a, b) आणि नाडी रुंदीसह thyristor नियंत्रण (Fig. 4, c).

तांदूळ. 5. लोड व्होल्टेजचा प्रकार येथे: a) — थायरिस्टरचे फेज कंट्रोल; ब) - सक्तीच्या कम्युटेशनसह थायरिस्टरचे फेज नियंत्रण; c) — नाडी रुंदी थायरिस्टर नियंत्रण

सक्तीच्या कम्युटेशनसह थायरिस्टर नियंत्रणाच्या फेज पद्धतीसह, कोन? आणि कोन बदलून लोड करंटचे नियमन शक्य आहे?... कृत्रिम स्विचिंग विशेष नोड्स वापरून किंवा पूर्णपणे नियंत्रित (लॉकिंग) थायरिस्टर्स वापरून केले जाते.

Totkr दरम्यान पल्स रुंदी नियंत्रण (पल्स रुंदी मॉड्युलेशन — PWM) सह, थायरिस्टर्सवर नियंत्रण सिग्नल लागू केला जातो, ते उघडे असतात आणि लोडवर व्होल्टेज अन लागू केले जाते. Tacr वेळेत, नियंत्रण सिग्नल अनुपस्थित आहे आणि थायरिस्टर्स गैर-संवाहक स्थितीत आहेत. लोडमधील विद्युत् प्रवाहाचे RMS मूल्य

जेथे In.m — Tcl = 0 वर प्रवाह लोड करा.

थायरिस्टर्सच्या फेज कंट्रोलसह लोडमधील वर्तमान वक्र नॉन-साइनसॉइडल आहे, ज्यामुळे पुरवठा नेटवर्कच्या व्होल्टेजच्या आकाराचे विकृतीकरण होते आणि उच्च-फ्रिक्वेंसी व्यत्ययांसाठी संवेदनशील ग्राहकांच्या कामात अडथळा निर्माण होतो - तथाकथित उद्भवते. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक असंगतता.

थायरिस्टर्स लॉक करणे

थायरिस्टर्स हे सर्वात शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक स्विच आहेत जे उच्च व्होल्टेज, उच्च प्रवाह (उच्च प्रवाह) सर्किट्स स्विच करण्यासाठी वापरले जातात.तथापि, त्यांच्याकडे एक महत्त्वपूर्ण कमतरता आहे - अपूर्ण नियंत्रणक्षमता, जी या वस्तुस्थितीतून प्रकट होते की त्यांना बंद करण्यासाठी, फॉरवर्ड करंट शून्यावर कमी करण्यासाठी परिस्थिती निर्माण करणे आवश्यक आहे. हे बर्‍याच प्रकरणांमध्ये थायरिस्टर्सचा वापर मर्यादित करते आणि गुंतागुंत करते.

ही कमतरता दूर करण्यासाठी, थायरिस्टर्स विकसित केले गेले आहेत जे कंट्रोल इलेक्ट्रोड G च्या सिग्नलद्वारे लॉक केले जातात. अशा थायरिस्टर्सना गेट-ऑफ थायरिस्टर्स (GTO) किंवा ड्युअल-ऑपरेशन म्हणतात.

लॉकिंग थायरिस्टर्स (झेडटी) मध्ये चार-लेयर पी-पी-पी-पी रचना आहे, परंतु त्याच वेळी अनेक महत्त्वपूर्ण डिझाइन वैशिष्ट्ये आहेत जी त्यांना पारंपारिक थायरिस्टर्सपेक्षा पूर्णपणे भिन्न देतात - पूर्ण नियंत्रणक्षमतेची मालमत्ता. पुढे दिशेने चालू-बंद थायरिस्टर्सचे स्थिर I-V वैशिष्ट्य पारंपरिक थायरिस्टर्सच्या I-V वैशिष्ट्यासारखेच आहे. तथापि, लॉक-इन थायरिस्टर सामान्यत: मोठ्या रिव्हर्स व्होल्टेज अवरोधित करू शकत नाही आणि अनेकदा अँटी-पॅरलल डायोडशी जोडलेले असते. याव्यतिरिक्त, लॉक-इन thyristors लक्षणीय फॉरवर्ड व्होल्टेज थेंब द्वारे दर्शविले जाते. लॉकिंग थायरिस्टर बंद करण्यासाठी, क्लोजिंग इलेक्ट्रोडच्या सर्किटमध्ये नकारात्मक प्रवाहाची एक शक्तिशाली नाडी (अंदाजे 1: 5 स्थिर प्रवाहाच्या मूल्याच्या संबंधात) लागू करणे आवश्यक आहे, परंतु कमी कालावधीसह (10- 100 μs).

लॉक-इन थायरिस्टर्समध्ये पारंपारिक थायरिस्टर्सपेक्षा कमी कटऑफ व्होल्टेज आणि प्रवाह (सुमारे 20-30%) असतात.

थायरिस्टर्सचे मुख्य प्रकार

लॉक-इन थायरिस्टर्सचा अपवाद वगळता, विविध प्रकारच्या थायरिस्टर्सची विस्तृत श्रेणी विकसित केली गेली आहे, वेग, नियंत्रण प्रक्रिया, प्रवाहकीय अवस्थेतील प्रवाहांची दिशा इ.त्यापैकी, खालील प्रकार लक्षात घेतले पाहिजेत:

• थायरिस्टर डायोड, जो समांतर कनेक्टेड डायोडसह थायरिस्टरच्या समतुल्य आहे (चित्र 6.12, अ);

• डायोड थायरिस्टर (डायनिस्टर), जेव्हा विशिष्ट व्होल्टेज पातळी ओलांडली जाते तेव्हा प्रवाहकीय स्थितीत स्विच करणे, A आणि C (Fig. 6, b) दरम्यान लागू केले जाते;

• लॉकिंग थायरिस्टर (Fig. 6.12, c);

• सममितीय थायरिस्टर किंवा ट्रायक, जे दोन समांतर कनेक्टेड थायरिस्टर्सच्या समतुल्य आहे (चित्र 6.12, डी);

• हाय-स्पीड इन्व्हर्टर थायरिस्टर (बंद वेळ 5-50 μs);

• फील्ड थायरिस्टर, उदाहरणार्थ, थायरिस्टरसह एमओएस ट्रान्झिस्टरच्या संयोजनावर आधारित;

• प्रकाश प्रवाहाद्वारे नियंत्रित ऑप्टिकल थायरिस्टर.

तांदूळ. 6. थायरिस्टर्सचे पारंपारिक ग्राफिक पदनाम: अ) — थायरिस्टर डायोड; ब) - डायोड थायरिस्टर (डायनिस्टर); c) - थायरिस्टर लॉक करणे; ड) - ट्रायक

थायरिस्टर संरक्षण

थायरिस्टर्स हे फॉरवर्ड करंट diA/dt आणि व्होल्टेज ड्रॉप duAC/dt च्या वाढीच्या दरासाठी गंभीर उपकरण आहेत. थायरिस्टर्स, डायोड्सप्रमाणे, रिव्हर्स रिकव्हरी करंटच्या घटनेने वैशिष्ट्यीकृत आहेत, ज्याचे शून्य ते तीव्र घट उच्च duAC / dt मूल्यासह ओव्हरव्होल्टेजची शक्यता वाढवते. अशा ओव्हरव्होल्टेज सर्किटच्या प्रेरक घटकांमध्ये विद्युत् प्रवाहाच्या अचानक व्यत्ययाचा परिणाम आहे, ज्यामध्ये लहान inductances स्थापना म्हणून, विविध CFTCP योजना सामान्यतः थायरिस्टर्सचे संरक्षण करण्यासाठी वापरल्या जातात, ज्या डायनॅमिक मोडमध्ये diA/dt आणि duAC/dt च्या अस्वीकार्य मूल्यांपासून संरक्षण प्रदान करतात.

बहुतेक प्रकरणांमध्ये, समाविष्ट थायरिस्टरच्या सर्किटमध्ये समाविष्ट असलेल्या व्होल्टेज स्त्रोतांचा अंतर्गत प्रेरक प्रतिकार पुरेसा असतो जेणेकरून कोणतेही अतिरिक्त इंडक्टन्स एलएस सादर केले जात नाही.म्हणून, व्यवहारात, अनेकदा CFT ची आवश्यकता असते जी ट्रिपिंग सर्जेसची पातळी आणि गती कमी करते (चित्र 7).

तांदूळ. 7. ठराविक थायरिस्टर संरक्षण सर्किट

thyristor सह समांतर जोडलेले आरसी सर्किट सहसा या उद्देशासाठी वापरले जातात. आरसी सर्किट्सचे विविध सर्किट बदल आहेत आणि थायरिस्टर्सच्या वापराच्या विविध परिस्थितींसाठी त्यांच्या पॅरामीटर्सची गणना करण्याच्या पद्धती आहेत.

लॉक-इन थायरिस्टर्ससाठी, सर्किट्सचा वापर CFTT ट्रान्झिस्टर प्रमाणेच स्विचिंग पथ तयार करण्यासाठी केला जातो.