Тиристоры. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Тиристоры. Виды и устройство. Работа и применение. Особенности

Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.

Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.

Принцип действия

Работа тиристора по следующей простой схеме.

К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.

Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).

Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.

Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.

Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.

Особенности устройства

Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:

Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.

Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.

Основные параметры тиристоров

• Максимально допустимый прямой ток. Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
• Максимально допустимый обратный ток.
• Прямое напряжение. Это падение напряжения при максимальном токе.
• Обратное напряжение. Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
• Напряжение включения. Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
• Минимальный ток управляющего электрода. Он необходим для включения тиристора.
• Максимально допустимый ток управления.
• Максимально допустимая рассеиваемая мощность.

Динамический параметр

Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.

Виды тиристоров

По способу управления разделяют на:

• Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
• Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.

Триодные тиристоры в свою очередь разделяются:

• Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
• Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.

Запирание тиристора производится:

• Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
• Подачей напряжения запирания на электрод управления.

По обратной проводимости тиристоры делятся:

• Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
• Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
• С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
• Симистор – пропускает токи в двух направлениях.

Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.

По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).

Разделение тиристоров по мощности

При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.

Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.

Простая сигнализация на основе тиристора

На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.

Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.

Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.

Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.

Регулятор мощности на тиристоре

Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.

• Полупроводниковый диод VD.
• Переменный резистор R1.
• Постоянный резистор R2.
• Конденсатор С.
• Тиристор VS.

Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.

Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.

Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.

К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.

На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.

Что такое симистор, как он работает и для чего нужен

Симистор является полупроводниковым прибором. Его полное название – симметричный триодный тиристор. Его особенность – возможно проводить ток в обе стороны. Данный элемент цепи имеет три вывода: один является управляющим, а два других силовыми. В этой статье мы рассмотрим принцип работы, устройство и назначение симистора в различных схемах электроприборов.

Конструкция и принцип действия

Особенность симистора является двунаправленной проводимости идущего через прибор электрического тока. Конструкция устройства строится на использовании двух встречно-параллельных тиристоров с общим управлением. Такой принцип работы дал название от сокращенного «симметрические тиристоры». Поскольку электроток может протекать в обе стороны, нет смысла обозначать силовые выводы как анод и катод. Дополняет общую картину управляющий электрод.

Условное обозначение на схеме по ГОСТ:

Внешний вид следующий:

В симисторе есть пять переходов, позволяющих организовать две структуры. Какая из них будет использоваться зависит от места образования (конкретный силовой вывод) отрицательной полярности.

Как работает симистор? Исходно полупроводниковый прибор находится в запертом состоянии и ток по нему не проходит. При подаче тока на управляющий электрод, последний переходит в открытое состояние и симистор начинает пропускать через себя ток. При работе от сети переменного тока полярность на контактах постоянно меняется. Схема, где используется рассматриваемый элемент, при этом будет работать без проблем. Ведь ток пропускается в обоих направлениях. Чтобы симистор выполнял свои функции, на управляющий электрод подают импульс тока, после снятия импульса ток через условные анод и катод продолжает протекать до тех пор, пока цепь не будет разорвана или они не будут находится под напряжением обратной полярности.

При использовании в цепи переменного тока симистор закрывается на обратной полуволне синусоиды, тогда нужно подавать импульс противоположной полярности (той же, под которой находятся «силовые» электроды элемента).

Принцип действия системы управления может корректироваться в зависимости от конкретного случая и применения. После открытия и начала протекания подавать ток на управляющий электрод не нужно. Цепь питания разрываться не будет. При надобности отключить питание следует понизить ток в цепи ниже уровня величины удержания или кратковременно разорвать цепь питания.

Управляющие сигналы

Чтобы добиться желаемого результата с симистором используют не напряжение, а ток. Чтобы прибор открылся, он должен быть на определённом небольшом уровне. Для каждого симистора сила управляющего тока может быть разной, её можно узнать из даташита на конкретный элемент. Например, для симистора КУ208 этот ток должен быть больше 160 мА, а для КУ201 —не менее 70 мА.

Полярность управляющего сигнала должна совпадать с полярностью условного анода. Для управления симистором часто используют выключатель и токоограничительный резистор, если он управляется микроконтроллером – может понадобиться дополнительная установка транзистора, чтобы не сжечь выход МК, или использовать симисторный оптодрайвер, типа MOC3041 и подобных.

Четырёхквадрантные симисторы могут отпираться сигналом с любой полярностью. В этом преимуществе есть и недостаток – может потребоваться увеличенный управляющий ток.

При отсутствии прибор заменяется двумя тиристорами. При этом следует правильно подбирать их параметры и переделывать схему управления. Ведь сигнал будет подаваться на два управляющих вывода.

Достоинства и недостатки

Для чего нужен рассматриваемый полупроводниковый прибор? Самый популярный вариант использования – коммутация в цепях переменного тока. В этом плане симистор очень удобен – используя небольшой элемент можно обеспечить управление высоковольтного питания.

Популярны решения, когда им заменяют обычное электромеханическое реле. Плюс такого решения – отсутствует физический контакт, благодаря чему включение питания становится надежнее, переключение бесшумным, ресурс на порядки больше, быстродействие выше. Еще одно достоинство симистора – относительно невысокая цена, что вместе с высокой надёжностью схемы и временем наработки на отказ выглядит привлекательно.

Полностью избежать минусов разработчикам не удалось. Так, приборы сильно нагреваются под нагрузкой. Приходится обеспечивать отвод тепла. Мощные (или «силовые») симисторы устанавливают на радиаторы. Ещё один недостаток, влияющий на использование, это создание гармонических помех в электросети некоторыми схемами симисторных регуляторов (например, бытовой диммер для регулировки освещенности).

Отметим, что напряжение на нагрузки будет отличаться от синусоиды, что связано с минимальным напряжением и током, при которых возможно включение. Из-за этого подключать следует только нагрузку, не предъявляющую высоких требований к электропитанию. При постановке задачи добиться синусоиды такой способ коммутации не подойдёт. Симисторы сильно подвержены влиянию шумов, переходных процессов и помех. Также не поддерживаются высокие частоты переключения.

Область применения

Характеристики, небольшая стоимость и простота устройства позволяет успешно применять симисторы в промышленности и быту. Их можно найти:

1. В стиральной машине.
2. В печи.
3. В духовках.
4. В электродвигателе.
5. В перфораторах и дрелях.
6. В посудомоечной машине.
7. В регуляторах освещения.
8. В пылесосе.

На этом перечень, где используется этот полупроводниковый прибор, не ограничивается. Применение рассматриваемого проводникового прибора осуществляется практически во всех электроприборах, что только есть в доме. На него возложена функция управления вращением приводного двигателя в стиральных машинках, они используются на плате управления для запуска работы всевозможных устройств – легче сказать, где их нет.

Основные характеристики

Рассматриваемый полупроводниковый прибор предназначен для управления схемами. Независимо от того, где в схеме он применяется, важны следующие характеристики симисторов:

1. Максимальное напряжение. Показатель, который будучи достигнут на силовых электродах не вызовет, в теории, выхода из строя. Фактически является максимально допустимым значением при условии соблюдения диапазона температур. Будьте осторожны – даже кратковременное превышение может обернуться уничтожением данного элемента цепи.
2. Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии. Пиковое значение и допустимый для него период, указываемый в миллисекундах.
3. Рабочий диапазон температур.
4. Отпирающее напряжение управления (соответствует минимальному постоянному отпирающему току).
5. Время включения.
6. Минимальный постоянный ток управления, нужный для включения прибора.
7. Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии. Этот параметр всегда указывают в сопроводительной документации. Обозначает критическую величину напряжения, предельную для данного прибора.
8. Максимальное падение уровня напряжения на симисторе в открытом состоянии. Указывает предельное напряжение, которое может устанавливаться между силовыми электродами в открытом состоянии.
9. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и напряжения в закрытом. Указываются соответственно в амперах и вольтах за секунду. Превышение рекомендованных значений может привести к пробою или ошибочному открытию не к месту. Следует обеспечивать рабочие условия для соблюдения рекомендованных норм и исключить помехи, у которых динамика превышает заданный параметр.
10. Корпус симистора. Важен для проведения тепловых расчетов и влияет на рассеиваемую мощность.

Вот мы и рассмотрели, что такое симистор, за что он отвечает, где применяется и какими характеристиками обладает. Рассмотренные простым языком теоретические азы позволят заложить основу для будущей результативной деятельности. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Включение симистора в цепь переменного тока

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

1. Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

2. Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

3. Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

4. Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

5. Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

6. Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

7. Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

8. Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

9. Ток управления (IGT).

10. Максимальный ток управления электрода IGM.

11. Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Интересно:

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Ранее ЭлектроВести писали, п очему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры.

Включение симистора в цепь переменного тока

Устойчивость тиристорных оптореле к dU/dt и dI/dt. Быстрое нарастание напряжения на выходе закрытого реле может быть вызвано следующими факторами:
– подачей в цепь нагрузки напряжения в фазе, близкой к 900;
– появлением импульсных помех в цепи нагрузки;
– возникновением коммутационных скачков напряжения из-за фазового сдвига между током и напряжением при величине тока, ниже тока удержания тиристора в цепи с индуктивной нагрузкой.
Скачки напряжения могут привести к несанкционированному открыванию тиристорных выходов реле при превышении dU/dt некоторой критической величины. Для несимметричных тиристоров устойчивость к dU/dt характеризуется критической скоростью нарастания напряжения в закрытом состоянии (dU/dt)кр, или статическим dU/dt. Возникновение статического dU/dt обусловлено наличием паразитной емкости анод–управляющий электрод, ток через которую пропорционален dU/dt и может превысить ток отпирания тиристора.
Симистор, наряду с (dU/dt)кр, характеризуется критической скоростью изменения коммутационного напряжения (dU/dt)ком. Воздействие (dU/dt)ком связано с наличием остаточного заряда в материале симистора после предыдущего включения. Этот заряд при достаточно быстром нарастании обратного напряжения способствует включению симистора в обратном направлении в отсутствие сигнала управления. Таким образом, управление теряется. Величина остаточного заряда зависит от пикового тока перед включением и скорости пересечения током нуля (dI/dt)ком. При малых значениях этих величин устойчивость симисторов возрастает и начинает определяться (dU/dt)кр, которое значительно выше (dU/dt)ком.

Самопроизвольное включение реле из-за случайных бросков напряжения в цепи нагрузки может не оказывать негативного влияния на некоторые виды нагрузок (например, нагреватели), поскольку в течение полупериода частоты сети реле выключается. Однако для таких нагрузок, как обмотки клапанов электродвигателей, самопроизвольное включение неприемлемо. Кроме того, несанкционированное включение тиристоров может приводить к катастрофическим последствиям в реверсивных системах (межфазное замыкание) и в системах с емкостями в нагрузках (сверхтоки разрядов конденсаторов). Недопустима потеря управления и на индуктивных нагрузках.
Для устранения несанкционированного включения оптореле используется ряд мер, основная из которых – шунтирование выхода реле демпфирующей RC цепью. При этом увеличение С ведет к уменьшению dU/dt, а R служит для ограничения тока при разряде конденсатора С и уменьшения выбросов переходного процесса. Обычно для конкретной нагрузки величины С и R подбираются экспериментально, начиная с величин, рассчитанных приближенными методами.
Рассмотрим один из этих методов – резонансный. При индуктивности нагрузки Lн резонансная частота контура LнС должна удовлетворять условию
.
где U – выброс напряжения в линии.

Поскольку,
.
то
.
Если принять cosj за коэффициент мощности в нагрузке, величина выброса напряжения будет равна U = UAЧsinj, где UA – значение амплитуды напряжения в линии.

Отсюда: .
.
Для цепи с заданными номинальными значениями напряжения и тока Uн и Iн имеем
. ,
тогда
. .
Для оценки значения R рассмотрим соотношение для примерно 30%-ного выброса переходного процесса (коэффициент затухания 0,5). В терминах номинальных значений (dU/dt)кр получим
.
Еще один способ повышения устойчивости реле к быстрым скачкам напряжения – введение в цепь нагрузки реактора задержки, представляющего собой элемент индуктивности на сердечнике с высокой магнитной проницаемостью и квадратной петлей гистерезиса. При рабочих токах нагрузки реактор находится в режиме насыщения, т.е. не влияет на ток. При уменьшении тока реактор “восстанавливается”, внося в цепь большую индуктивность, что замедляет скорость изменения тока и, в частности, задерживает повторное приложение обратного напряжения, помогая запиранию тиристора. Следует отметить, что, уменьшая скорость нарастания тока на начальной стадии включения тиристора, реактор способствует равномерному распределению плотности тока по кристаллу, защищая тиристор от разрушительного воздействия высоких значений dI/dt, приводящих из-за высокой плотности тока к локальному разогреву областей кристалла сверх допустимого значения.
Особенности работы на индуктивную нагрузку. Работа реле постоянного тока на индуктивную нагрузку наряду с потерей управляемости реле из-за изменения коммутационного напряжения dU/dt сопровождается еще рядом эффектов. Так, при выключении реле (разрыве цепи нагрузки) опасность представляет напряжение самоиндукции нагрузки. Помимо методов защиты выхода реле из строя вследствие перенапряжений, приведенных в разделе 3*, возможна защита за счет включения однополярных реле в полумостовую схему (рис. 1). При коммутации плеч полумоста с диодами VD1 и VD2, внешними, с быстрым восстановлением или встроенными в VT1 и VT2, и при выключении VT1 ток нагрузки замыкается контуром, образованным VD2 и источником питания и т.д.
Шунтирование индуктивной нагрузки диодом допустимо только при относительно небольших значениях энергии WL, запасенной в нагрузке. Она определяется по формуле
.
и ограничена допустимой импульсной мощностью используемого диода.
Значительное увеличение допустимого значения WL можно получить при включении в цепь диода и резистора (рис. 2). При этом должны выполняться условия
.
где Uреле – максимально допустимое напряжение на реле, Е – напряжение питания нагрузки; Iн – ток нагрузки, PR – мощность резистора, fком – средняя частота коммутации реле. Постоянная времени спада тока в нагрузке при этом равна Lн/R .
Напряжения самоиндукции, возникающие при выключении, не влияют на работу тиристорных реле, поскольку разрыв цепи нагрузки происходит при значении тока нагрузки, близкой к нулю. Для реле этого типа существует опасность перегрузки по току в силу следующих причин:
• асимметрии включения выходных тиристоров (симисторов), приводящей к появлению постоянной составляющей тока и насыщению сердечника, а следовательно, к возникновению сверхтоков;
• насыщения сердечников при включении реле в точке пересечения напряжением нуля.
В свою очередь асимметрия включения может являться следствием:
• асимметрии углов проводимости из-за значительного различия токов управления (пороговых) разных полярностей;
• асимметрии углов проводимости при некорректном фазо-импульсном управлении реле;
• частичного (полуволнового) открывания реле при слишком быстром для включения тиристора пересечении обратным напряжением “окна разрешения включения” (для реле с контролем перехода напряжения через нуль) или в силу малого входного тока управления.
В первом случае реле не может применяться с индуктивными нагрузками, во втором – решение очевидно, в третьем – следует уменьшить изменение коммутационного напряжения dU/dt описанными выше методами и обеспечить достаточный входной ток.
При чисто индуктивных нагрузках с насыщающимися ферромагнитными сердечниками, такими как контакторы или трансформаторы на холостом ходу, реле при включении может перейти в насыщение. При этом случай включения реле с переходом напряжения через нуль – наихудший. Многоцикловые пусковые токи могут во много десятков раз превосходить номинальные значения. Для таких нагрузок оптимальные условия запуска – включение реле в максимуме напряжения или мягкий запуск с малыми начальными углами проводимости.
Особенности работы на емкостную нагрузку связаны с появлением в цепи реле больших пусковых токов с высоким dI/dt или c возникновением перенапряжения на реле из-за остаточного напряжения на емкости. Сверхтоки возможны как в цепях переменного, так и постоянного тока, однако для защиты от них в этих цепях используются разные методы. В цепи постоянного тока с заданным напряжением питания Uo амплитуду тока при включении можно оценить (пренебрегая активным сопротивлением цепи) по формуле
.
где Dt – время включения реле. При работе с быстродействующими реле, у которых Dt »10-6 с, ток может быть чрезмерно большим. Например, при С = 10 мкФ и Uo = 100 В получим I » 103 А.
Чтобы ограничить пусковой ток, можно использовать токоограничивающий резистор или индуктивность в цепи нагрузки. В последнем случае пусковой ток будет иметь колебательный характер.
В цепях переменного тока с реле на тиристорах скачки тока появляются в следующих случаях:
– при отличии фазы напряжения от нуля в момент включения реле. В этом случае возникает однократный импульс тока, пропорциональный по амплитуде напряжению в линии в момент включения;
– при отличии от нуля напряжения включения выхода тиристорных реле, что приводит к периодическим скачкам тока при пересечении напряжением в линии нуля (при включенном реле).
При работе реле с емкостной нагрузкой без контроля перехода напряжения через нуль однократный импульс тока в момент включения может оказаться недопустимо большим. В частности, при значении емкости около 100 мкФ (таков порядок емкости в фазокомпенсирующих системах), номинальном напряжении сети 380 В и времени включения тиристоров порядка 10-6 с значение тока для худшего случая составляет
.
Из соотношения CЧDU = IЧDt получим длительность импульса тока
.
В реальных условиях из-за сопротивления и индуктивности цепи значение амплитуды тока меньше, а длительность больше оценочных величин. Но все равно, значение тока превосходит допустимый ударный ток тиристора, приведенный к длительности импульса. Кроме того, такие скачки тока порождают значительные электромагнитные помехи.
Существенное уменьшение амплитуды импульса тока при включении достигается за счет применения реле с контролем перехода фазы через нуль. При этом напряжение запрета включения должно быть как можно ниже нуля. При значении этого напряжения 10 В ток, согласно оценочному уравнению, будет равен 103 А, а реально – порядка сотни ампер, что при малой длительности импульса вполне приемлемо. При необходимости большего подавления всплеска тока можно последовательно емкости включить небольшую индуктивность (

10 мкГн). Отсюда следует, что с емкостными нагрузками можно использовать только реле с контролем перехода фазы через нуль (типа ТМ).
Периодические скачки тока по амплитуде в каждом полупериоде рабочей частоты зависят от значения выходного напряжения включения реле. Наряду с помехами и локальным разогревом кристалла такие всплески могут привести к деградации некоторых типов конденсаторов вследствие расширения за счет них спектрального состава тока. Напряжение включения реле определяет цепь драйвера силовых тиристоров, которая для реле общего назначения содержит защитный резистор (Uвкл

RЧIупр, где R – сопротивление защитного резистора, Iупр – ток отпирания управляющей цепи тиристора). Назначение этого резистора – защита драйвера по току при работе на индуктивные нагрузки. При работе на емкостную нагрузку резистор может быть устранен, что позволяет снизить напряжение включения до 3–4 В. ЗАО “Протон-Импульс” выпускает специальные реле (типа ТМК) для конденсаторных нагрузок с нормированными значениями Uвкл = 4 В и Uзапр = 10 В. Использовать эти реле при работе на индуктивную нагрузку не рекомендуется. При работе с активными нагрузками его применение допустимо.
Рассмотрим напряжение на выходе реле при работе на емкостную нагрузку. При снятии сигнала включения на входе реле выходной тиристор выключается при токе, близком к нулю. При этом напряжение на конденсаторе по амплитуде оказывается равным сетевому. В следующем полупериоде напряжение в линии меняет знак и на выходе закрытого реле оказывается сумма напряжений сети и конденсатора, значение которой достигает удвоенной амплитуды напряжения сети. Таким образом, в случае емкостной нагрузки предельно допустимое напряжение используемого реле должно не менее чем в два раза превышать напряжение реле, работающего с активной и индуктивной нагрузкой.
В однофазной цепи допустимо использование двух реле с последовательно соединенными выходами и обычным предельно допустимым напряжением. При этом следует предусмотреть выравнивание напряжений на них с помощью резисторов или варисторов. Более сложный случай представляет собой трехфазная система (рис. 3), используемая для компенсации сдвига фаз в сетях. Здесь в каждой межфазной цепи используются два последовательно включенных тиристора, поэтому после выключения сумма остаточных напряжений емкостей и напряжений фаз будет распределяться между ними, т.е. они могут иметь обычные предельно допустимые напряжения (800 В для сети 380 В). Однако есть один нюанс, требующий рассмотрения. Как правило конденсаторы С1 – С3 шунтированы высокоомными разрядными резисторами и, если до следующего включения они успели разрядиться, проблем не возникает. В отсутствие разрядных резисторов или при малом промежутке времени между включениями напряжение конденсатора не успевает разрядиться и суммируется с линейным. Поскольку в процессе включения тиристоров всегда сначала открываются два из них, а через несколько миллисекунд – третий, то в течение этих миллисекунд суммарное напряжение будет приложено к нему. Варистор, шунтирующий этот тиристор, возьмет на себя перенапряжение, и тем самым, возможно, рассеет излишнюю энергию конденсаторов. Нужно только, чтобы эта энергия с учетом частоты коммутаций не была слишком велика для варистора.