थायरिस्टर्स: संचालन, डिजाइन, प्रकार और शामिल करने के तरीकों का सिद्धांत

थाइरिस्टर के संचालन का सिद्धांत

एक थाइरिस्टर एक पावर इलेक्ट्रॉनिक है, पूरी तरह से नियंत्रित करने योग्य स्विच नहीं है। इसलिए, कभी-कभी तकनीकी साहित्य में इसे सिंगल-ऑपरेशन थाइरिस्टर कहा जाता है, जिसे केवल नियंत्रण संकेत द्वारा एक संचालन स्थिति में स्विच किया जा सकता है, यानी इसे चालू किया जा सकता है। इसे बंद करने के लिए (डायरेक्ट करंट ऑपरेशन में), यह सुनिश्चित करने के लिए विशेष उपाय किए जाने चाहिए कि डायरेक्ट करंट शून्य हो जाए।

एक थाइरिस्टर स्विच केवल एक दिशा में करंट का संचालन कर सकता है, और बंद अवस्था में यह आगे और पीछे दोनों वोल्टेज का सामना करने में सक्षम होता है।

थाइरिस्टर में चार-परत p-n-p-n संरचना होती है जिसमें तीन लीड होते हैं: एनोड (A), कैथोड (C) और गेट (G), जो चित्र 1 में दिखाया गया है। 1

चावल। 1. पारंपरिक थाइरिस्टर: ए) - पारंपरिक ग्राफिक पदनाम; बी) - वोल्ट-एम्पीयर विशेषता।

अंजीर में। 1b नियंत्रण वर्तमान iG के विभिन्न मूल्यों पर आउटपुट स्थिर I-V विशेषताओं का एक परिवार दिखाता है। सीमित आगे वोल्टेज जो थाइरिस्टर इसे चालू किए बिना सामना कर सकता है, आईजी = 0 पर अधिकतम मूल्य है।जैसे ही करंट बढ़ता है, iG उस वोल्टेज को कम कर देता है जिसे थाइरिस्टर झेल सकता है। थाइरिस्टर की स्थिति शाखा II से मेल खाती है, ऑफ स्टेट शाखा I से मेल खाती है, और स्विचिंग प्रक्रिया शाखा III से मेल खाती है। होल्डिंग करंट या होल्डिंग करंट न्यूनतम स्वीकार्य फॉरवर्ड करंट iA के बराबर होता है, जिस पर थाइरिस्टर संचालन करता रहता है। यह मान थाइरिस्टर पर आगे वोल्टेज ड्रॉप के न्यूनतम संभव मान से भी मेल खाता है।

शाखा IV रिवर्स वोल्टेज पर लीकेज करंट की निर्भरता को दर्शाता है। जब रिवर्स वोल्टेज यूबीओ के मान से अधिक हो जाता है, तो रिवर्स करंट में तेज वृद्धि शुरू हो जाती है, जो थाइरिस्टर की विफलता से जुड़ी होती है। ब्रेकडाउन की प्रकृति एक अपरिवर्तनीय प्रक्रिया या सेमीकंडक्टर जेनर डायोड के संचालन में निहित हिमस्खलन टूटने की प्रक्रिया के अनुरूप हो सकती है।

थायरिस्टर्स सबसे शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक स्विच हैं, जो 5 kV तक के वोल्टेज के साथ सर्किट स्विच करने में सक्षम हैं और 1 kHz से अधिक की आवृत्ति पर 5 kA तक की धाराएँ हैं।

थाइरिस्टर्स का डिज़ाइन अंजीर में दिखाया गया है। 2.

चावल। 2. थाइरिस्टर बॉक्स का डिज़ाइन: ए) — टैबलेट; बी) - एक पिन

डीसी थाइरिस्टर

कैथोड के सापेक्ष सकारात्मक ध्रुवता वाले नियंत्रण परिपथ में एक करंट पल्स लगाकर एक पारंपरिक थाइरिस्टर को चालू किया जाता है। टर्न-ऑन के दौरान क्षणिक की अवधि लोड की प्रकृति (सक्रिय, आगमनात्मक, आदि) से काफी प्रभावित होती है, नियंत्रण वर्तमान पल्स iG के बढ़ने का आयाम और दर, थाइरिस्टर की अर्धचालक संरचना का तापमान, लागू वोल्टेज और लोड वर्तमान।एक थाइरिस्टर युक्त सर्किट में, आगे वोल्टेज डुएसी / डीटी की वृद्धि की दर का कोई अस्वीकार्य मूल्य नहीं होना चाहिए, जहां थाइरिस्टर का सहज सक्रियण नियंत्रण सिग्नल आईजी और दर की अनुपस्थिति में हो सकता है वर्तमान diA / dt से वृद्धि। उसी समय, नियंत्रण संकेत का ढलान अधिक होना चाहिए।

थायरिस्टर्स को बंद करने के तरीकों में, प्राकृतिक टर्न-ऑफ (या प्राकृतिक स्विचिंग) और मजबूर (या कृत्रिम स्विचिंग) के बीच अंतर करना प्रथागत है। प्राकृतिक रूपान्तरण तब होता है जब थाइरिस्टर्स वैकल्पिक सर्किट में उस समय काम करते हैं जब करंट शून्य हो जाता है।

मजबूर स्विचिंग के तरीके बहुत विविध हैं। उनमें से सबसे विशिष्ट निम्नलिखित हैं: एक प्री-चार्ज कैपेसिटर सी को एक स्विच एस (चित्रा 3, ए) से जोड़ना; एक एलसी सर्किट को एक प्री-चार्ज कैपेसिटर सीके (चित्रा 3 बी) के साथ जोड़ना; लोड सर्किट (चित्रा 3, सी) में क्षणिक प्रक्रिया की दोलनशील प्रकृति का उपयोग।

चावल। 3. थाइरिस्टर्स के कृत्रिम स्विचिंग के तरीके: ए) - चार्ज कैपेसिटर सी के माध्यम से; बी) - एलसी सर्किट के ऑसिलेटरी डिस्चार्ज के माध्यम से; ग) - भार के उतार-चढ़ाव की प्रकृति के कारण

अंजीर में आरेख के अनुसार स्विच करते समय। 3 और रिवर्स पोलरिटी के एक स्विचिंग कैपेसिटर को कनेक्ट करना, उदाहरण के लिए एक अन्य सहायक थाइरिस्टर के लिए, यह मुख्य थाइरिस्टर के संचालन के लिए निर्वहन का कारण होगा। चूँकि संधारित्र का डिस्चार्ज करंट थाइरिस्टर के आगे के करंट के विरुद्ध निर्देशित होता है, बाद वाला घटकर शून्य हो जाता है और थाइरिस्टर बंद हो जाता है।

अंजीर के आरेख में। 3, बी, एलसी सर्किट का कनेक्शन स्विचिंग कैपेसिटर सीके के दोलन निर्वहन का कारण बनता है।इस मामले में, शुरुआत में, डिस्चार्ज करंट थाइरिस्टर के माध्यम से इसके आगे की धारा के विपरीत प्रवाहित होता है, जब वे बराबर हो जाते हैं, तो थाइरिस्टर बंद हो जाता है। इसके अलावा, LC-सर्किट का करंट थाइरिस्टर VS से डायोड VD तक जाता है। जैसे ही डायोड वीडी के माध्यम से लूप करंट प्रवाहित होता है, खुले डायोड में वोल्टेज ड्रॉप के बराबर एक रिवर्स वोल्टेज थाइरिस्टर वीएस पर लागू होगा।

अंजीर के आरेख में। 3, एक थाइरिस्टर वीएस को एक जटिल आरएलसी लोड से जोड़ने से एक क्षणिक होगा। लोड के कुछ मापदंडों के साथ, इस प्रक्रिया में लोड करंट की ध्रुवीयता में बदलाव के साथ एक ऑसिलेटरी कैरेक्टर हो सकता है। इस मामले में, थाइरिस्टर वीएस को बंद करने के बाद, डायोड वीडी चालू हो जाता है, जो करंट का संचालन करना शुरू कर देता है। विपरीत ध्रुवीयता। कभी-कभी स्विचिंग की इस विधि को अर्ध-प्राकृतिक कहा जाता है क्योंकि इसमें लोड करंट की ध्रुवीयता में परिवर्तन शामिल होता है।

एसी थाइरिस्टर

जब थाइरिस्टर एसी सर्किट से जुड़ा होता है, तो निम्नलिखित ऑपरेशन संभव होते हैं:

• सक्रिय और सक्रिय-प्रतिक्रियाशील भार के साथ विद्युत सर्किट को चालू और बंद करना;

• लोड के माध्यम से औसत और प्रभावी वर्तमान मूल्यों में परिवर्तन इस तथ्य के कारण है कि नियंत्रण संकेत के समय को समायोजित करना संभव है।

चूँकि थाइरिस्टर स्विच केवल एक दिशा में विद्युत प्रवाह का संचालन करने में सक्षम है, तो उनके समानांतर कनेक्शन का उपयोग प्रत्यावर्ती धारा थाइरिस्टर के उपयोग के लिए किया जाता है (चित्र 4, ए)।

चावल। 4. थायरिस्टर्स (ए) के समानांतर-विरोधी कनेक्शन और एक सक्रिय भार (बी) के साथ वर्तमान का आकार

औसत और प्रभावी वर्तमान थायरिस्टर्स VS1 और VS2 पर ओपनिंग सिग्नल लगाने के समय में बदलाव के कारण भिन्न होता है, अर्थात। कोण बदलकर और (चित्र 4, बी)।विनियमन के दौरान थाइरिस्टर्स वीएस1 और वीएस2 के लिए इस कोण के मूल्यों को नियंत्रण प्रणाली द्वारा एक साथ बदल दिया जाता है। कोण को थाइरिस्टर का नियंत्रण कोण या फायरिंग कोण कहा जाता है।

बिजली इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में सबसे व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है चरण (छवि 4, ए, बी) और नाड़ी चौड़ाई (छवि 4, सी) के साथ थाइरिस्टर नियंत्रण।

चावल। 5. लोड वोल्टेज का प्रकार: ए) - थाइरिस्टर का चरण नियंत्रण; बी) - मजबूर परिवर्तन के साथ एक थाइरिस्टर का चरण नियंत्रण; सी) — पल्स चौड़ाई थाइरिस्टर नियंत्रण

मजबूर कम्यूटेशन के साथ थाइरिस्टर नियंत्रण की चरण विधि के साथ, कोण और कोण को बदलकर लोड करंट का नियमन संभव है। विशेष नोड्स का उपयोग करके या पूरी तरह से नियंत्रित (लॉकिंग) थाइरिस्टर का उपयोग करके कृत्रिम स्विचिंग किया जाता है।

Totkr के दौरान पल्स चौड़ाई नियंत्रण (पल्स चौड़ाई मॉडुलन - PWM) के साथ, थाइरिस्टर्स पर एक नियंत्रण संकेत लगाया जाता है, वे खुले होते हैं और वोल्टेज अन लोड पर लागू होता है। Tacr समय के दौरान, नियंत्रण संकेत अनुपस्थित है और थायरिस्टर्स एक गैर-संचालन अवस्था में हैं। लोड में करंट का RMS मान

जहां एम.एम. - Tcl = 0 पर लोड करंट।

थाइरिस्टर्स के चरण नियंत्रण के साथ लोड में वर्तमान वक्र गैर-साइनसॉइडल है, जो आपूर्ति नेटवर्क के वोल्टेज के आकार के विरूपण और उच्च आवृत्ति गड़बड़ी के प्रति संवेदनशील उपभोक्ताओं के काम में गड़बड़ी का कारण बनता है - तथाकथित होता है। विद्युत चुम्बकीय असंगति।

थायरिस्टर्स को लॉक करना

थायरिस्टर्स सबसे शक्तिशाली इलेक्ट्रॉनिक स्विच हैं जिनका उपयोग हाई वोल्टेज, हाई करंट (हाई करंट) सर्किट को स्विच करने के लिए किया जाता है।हालांकि, उनके पास एक महत्वपूर्ण दोष है - अपूर्ण नियंत्रणीयता, जो इस तथ्य में प्रकट होती है कि उन्हें बंद करने के लिए, आगे की धारा को शून्य तक कम करने के लिए स्थितियां बनाना आवश्यक है। यह कई मामलों में थायरिस्टर्स के उपयोग को सीमित और जटिल बनाता है।

इस खामी को खत्म करने के लिए, थायरिस्टर्स विकसित किए गए हैं जो नियंत्रण इलेक्ट्रोड जी से एक संकेत द्वारा बंद हैं। ऐसे थाइरिस्टर्स को गेट-ऑफ थायरिस्टर्स (जीटीओ) या दोहरे ऑपरेशन कहा जाता है।

लॉकिंग थाइरिस्टर्स (जेडटी) में चार-परत पीपीपीपी संरचना होती है, लेकिन साथ ही साथ कई महत्वपूर्ण डिज़ाइन विशेषताएं होती हैं जो उन्हें पारंपरिक थाइरिस्टर्स से पूरी तरह से अलग करती हैं - पूर्ण नियंत्रणीयता की संपत्ति। आगे की दिशा में टर्न-ऑफ थायरिस्टर्स की स्थिर I-V विशेषता पारंपरिक थाइरिस्टर्स की I-V विशेषता के समान है। हालांकि, लॉक-इन थाइरिस्टर आमतौर पर बड़े रिवर्स वोल्टेज को ब्लॉक करने में असमर्थ होता है और अक्सर एक समानांतर-विरोधी डायोड से जुड़ा होता है। इसके अलावा, लॉक-इन थायरिस्टर्स को महत्वपूर्ण फॉरवर्ड वोल्टेज ड्रॉप्स की विशेषता है। लॉकिंग थाइरिस्टर को बंद करने के लिए, क्लोजिंग इलेक्ट्रोड के सर्किट में नेगेटिव करंट की एक शक्तिशाली पल्स (लगभग 1: 5 निरंतर ऑफ करंट के मूल्य के संबंध में) को लागू करना आवश्यक है, लेकिन एक छोटी अवधि (10- 100 μs)।

पारंपरिक थायरिस्टर्स की तुलना में लॉक-इन थायरिस्टर्स में कम कटऑफ वोल्टेज और धाराएं (लगभग 20-30%) होती हैं।

मुख्य प्रकार के थायरिस्टर्स

लॉक-इन थाइरिस्टर्स के अपवाद के साथ, विभिन्न प्रकार के थाइरिस्टर्स की एक विस्तृत श्रृंखला विकसित की गई है, जो गति, नियंत्रण प्रक्रियाओं, संचालन अवस्था में धाराओं की दिशा आदि में भिन्न हैं।उनमें से, निम्नलिखित प्रकारों पर ध्यान दिया जाना चाहिए:

• थाइरिस्टर डायोड, जो एक एंटीपैरलल कनेक्टेड डायोड (चित्र। 6.12, ए) के साथ थाइरिस्टर के बराबर है;

• डायोड थाइरिस्टर (डायनिस्टर), एक प्रवाहकीय अवस्था में स्विच करना जब एक निश्चित वोल्टेज स्तर पार हो जाता है, ए और सी (छवि 6, बी) के बीच लागू होता है;

• लॉकिंग थाइरिस्टर (चित्र। 6.12, सी);

• सममित थाइरिस्टर या ट्राइक, जो दो समानांतर जुड़े हुए थाइरिस्टर्स के बराबर है (चित्र। 6.12, डी);

• हाई-स्पीड इन्वर्टर थाइरिस्टर (ऑफ टाइम 5-50 μs);

• फ़ील्ड थाइरिस्टर, उदाहरण के लिए, थाइरिस्टर के साथ एमओएस ट्रांजिस्टर के संयोजन पर आधारित;

• प्रकाश प्रवाह द्वारा नियंत्रित ऑप्टिकल थाइरिस्टर।

चावल। 6. थाइरिस्टर का पारंपरिक ग्राफिक पदनाम: ए) — थाइरिस्टर डायोड; बी) - डायोड थाइरिस्टर (डाइनिस्टर); सी) - थाइरिस्टर को लॉक करना; d) — त्रिक

थाइरिस्टर सुरक्षा

आगे की धारा diA / dt और वोल्टेज ड्रॉप duAC / dt के उदय की दर के लिए थायरिस्टर्स महत्वपूर्ण उपकरण हैं। थायरिस्टर्स, डायोड की तरह, रिवर्स रिकवरी करंट की घटना की विशेषता है, जिसकी तेज गिरावट शून्य के साथ उच्च duAC / dt मान के साथ ओवरवॉल्टेज की संभावना को बढ़ाती है। इस तरह के ओवरवॉल्टेज सर्किट के आगमनात्मक तत्वों में करंट के अचानक रुकावट का परिणाम हैं, जिनमें शामिल हैं छोटे अधिष्ठापन स्थापना। इसलिए, विभिन्न CFTCP योजनाओं का उपयोग आमतौर पर थायरिस्टर्स की सुरक्षा के लिए किया जाता है, जो डायनेमिक मोड में diA / dt और duAC / dt के अस्वीकार्य मूल्यों से सुरक्षा प्रदान करते हैं।

ज्यादातर मामलों में, शामिल थाइरिस्टर के सर्किट में शामिल वोल्टेज स्रोतों का आंतरिक आगमनात्मक प्रतिरोध पर्याप्त है ताकि कोई अतिरिक्त अधिष्ठापन एलएस पेश न हो।इसलिए, व्यवहार में, अक्सर सीएफटी की आवश्यकता होती है जो ट्रिपिंग सर्जेस के स्तर और गति को कम करते हैं (चित्र 7)।

चावल। 7. विशिष्ट थाइरिस्टर सुरक्षा सर्किट

थाइरिस्टर के साथ समानांतर में जुड़े आरसी सर्किट आमतौर पर इस उद्देश्य के लिए उपयोग किए जाते हैं। थाइरिस्टर्स के उपयोग की विभिन्न स्थितियों के लिए आरसी सर्किट के विभिन्न सर्किट संशोधन और उनके पैरामीटर की गणना करने के तरीके हैं।

लॉक-इन थाइरिस्टर्स के लिए, सर्किट का उपयोग स्विचिंग पथ बनाने के लिए किया जाता है, सर्किट में सीएफटीटी ट्रांजिस्टर के समान।