Устройство, принцип работы тиристоров. Виды тиристоров

Тиристор — полупроводниковый прибор, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости.

Тиристор можно рассматривать как электронный выключатель (ключ). Основное применение тиристоров — управление мощной нагрузкой с помощью слабых сигналов, а также переключающие устройства. Существуют различные виды тиристоров, которые подразделяются, главным образом, по способу управления и по проводимости. Различие по проводимости означает, что бывают тиристоры, проводящие ток в одном направлении и в двух направлениях (например, симисторы, симметричные динисторы).

Тиристор имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ) с участком отрицательного дифференциального сопротивления. По сравнению, например, с транзисторными ключами, управление тиристором имеет некоторые особенности. Переход тиристора из одного состояния в другое в электрической цепи происходит скачком (лавинообразно) и осуществляется внешним воздействием на прибор: либо напряжением (током), либо светом (для фототиристора). После перехода тиристора в открытое состояние он остаётся в этом состоянии даже после прекращения управляющего сигнала, если протекающий через тиристор ток превышает некоторую величину, называемую током удержания.

Обратная ветвь характеристики соответствует обратной полярности анодного напряжения , указанного на рисунке. При разомкнутой цепи управления или отсутствии тока управления обратная ветвь характеристики тиристора аналогична обратной ветви полупроводникового диода того же класса. В рабочем диапазоне напряжений от нуля до повторяющегося импульсного обратного напряжения , составляющего несколько сотен вольт, через прибор протекает очень маленький, порядка долей миллиампера, обратный ток . Благодаря этому тиристор при обратном включении обладает весьма большим сопротивлением.

Если к управляющему электроду УЭ тиристора приложить положительное (относительно катода) напряжение, то в цепи управления будет протекать ток , вследствие чего возрастает прямой ток, протекающий от анода к катоду тиристора.

Прямая ветвь характеристики тиристора изображена в первом квадранте системы координат, которой соответствует прямое анодное напряжение (рис. 4.3). Рабочим диапазоном, как и в случае обратной ветви, является диапазон напряжений от нуля до импульсного напряжения в закрытом состоянии .

Прямая ветвь характеристики имеет три характерные области. Первая область расположена между началом координат и точкой . Эта часть характеристики аналогична обратной ветви ВАХ p–n-перехода. Вторая область от точки до точки соответствует неустойчивому электрическому состоянию, при котором тиристор даже при незначительном превышении напряжения, называемого напряжением переключения , переходит в состояние малого сопротивления (точка ). Отрезок характеристики носит название участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением. В отличие от участка характеристики с положительным сопротивлением, на котором увеличение напряжения сопровождается увеличением тока, на участке отрицательного дифференциального сопротивления увеличение тока происходит при снижении напряжения.

Третья область характеристики от точки до точки является областью высокой проводимости или малого сопротивления. Эта часть характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода и соответствует проводящему состоянию тиристора.

Если через цепь управления пропустить ток , то напряжение переключения тиристора из закрытого состояния в открытое уменьшится. Если ток управления увеличивать и дальше, то, начиная с некоторого значения, называемого током управления-спрямления , участок характеристики с отрицательным сопротивлением исчезает, ВАХ спрямляется и становится похожей на прямую ветвь ВАХ полупроводникового диода. При токе управления , превышающем ток управления-спрямления , тиристор обладает малым сопротивлением.

Особенностью тиристора является то, что он, переключенный в открытое состояние, будет находиться в этом состоянии сколь угодно долго даже при снятии управляющего сигнала. Это свойство позволяет включать тиристор с помощью коротких импульсов тока и тем самым значительно снизить затраты энергии на управление тиристором. Для переключения тиристора из открытого состояния в закрытое необходимо путем уменьшения напряжения в цепи нагрузки снизить прямой анодный ток до некоторого малого значения, называемого током удержания .

Рассмотренный режим переключения тиристора в открытое состояние за счет увеличения анодного напряжения используется только в схемах с динисторами.
В большинстве практических схем включение тиристора происходит по цепи управляющего электрода, т. е. путем подачи на него отпирающего импульса напряжения. Сущность этого метода заключается в следующем. В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания выбирается меньше напряжения переключения тиристора и принимается равным максимальному допустимому прямому напряжению .
В этом состоянии рабочая точка тиристора 1 располагается на прямой ветви ВАХ, соответствующей . Через тиристор и нагрузку протекает небольшой ток, соответствующий точке 1 этой ветви характеристики.

Для открытия тиристора в нужный момент времени на его управляющий электрод подается импульс управления, создающий в цепи управляющего электрода ток управления, превышающий ток управления-спрямления . Тиристор открывается, и рабочая точка 2 переходит на прямую ветвь характеристики . Ток, протекающий через тиристор в открытом состоянии, рассчитывается из соотношения , где – падение напряжения на открытом тиристоре, которое определяется как проекция рабочей точки 2 на ось прямого напряжения . Определение токов и напряжений тиристора удобно проводить с помощью линии нагрузки (рис. 4.3). Подробности ее построения приведены в подразд. 3.7. Здесь же просто ограничимся констатацией того, что для построения линии нагрузки на осях и откладываются две точки с координатами: на ось абсцисс и на ось прямого тока.Координаты точек 1 и 2 пересечения этой линии с вольт-амперной характеристикой определяют ток и напряжение на тиристоре соответственно в закрытом и открытом состояниях.

77. ИНФОРМАЦИОННЫЕ ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ ЭЭС (СООБЩЕНИЯ, ИНФОРМАЦИЯ, СИГНАЛ, ПОМЕХИ, КОДИРОВАНИЕ)

Правилами технической эксплуатации электрических станций (ЭСТ), электрических (ЭС) и тепловых (ТС) сетей энергопроизводство, распределение и отпуск энергии потребителю считаются основными задачами энергообъектов.

Энергосистема является основным звеном энергопроизводства и представляет собой сложный комплекс ЭСТ, ЭС и ТС, характеризующийся общностью режимов работы и централизованным оперативно-диспетчерским управлением.

Нормальное функционирование энергосистем в целом и отдельных энергообъектов принципиально невозможно без использования различных по назначению и исполнению систем управления, контроля, связи, и в том числе систем передачи производственной информации. При управлении энергосистемами и энергообъединениями практически используются все известные виды связи, а круг задач, решаемых при управлении, весьма широк. Помимо оперативной информации требуется передавать статистические данные (и информацию), необходимые для планирования деятельности энергопредприятий.

Общими задачами автоматизированные системы управления (АСУ) технологическими процессами (АСУТП), автоматизированные системы диспетчерского управления (АСДУ) и АСУ производством электрической и тепловой энергии (АСУП) являются сбор, обработка (преобразование), хранение и передача различных видов информации. Эта общность задач позволяет представить различные системы, и в частности системы передачи информации в обобщённом виде (в виде обобщённых структурных схем).

Любой процесс управления «связан» с получением (сбором) информации, её обработкой (переработкой), врéменным или долговременным хранением информации - результата обработки, с её передачей и последующим использованием обработанной информации (её реализацией).

Сообщение (сведения, данные) - результат действия некоторого материального объекта или форма его состояния, непосредственно подлежащие передаче другому материальному объекту. Существенным в этом определении является то, что сообщение имеет материальную основу и подлежит передаче. Сообщением же может быть как результат целенаправленного действия, так и результат случайного действия, который отображается состоянием объекта. То, что не подлежит передаче, не является «сообщением».

Сведения (или часть сообщения), которые заранее неизвестны получателю. Отсюда следует, что сообщения, которые уже известны получателю информации, не представляют никакой ценности для получателя и не несут информацию. Сообщения (сведения) могут содержать (нести, передавать) разное количество информации, а само количество информации зависит от вероятности появления сообщений.

Материальный объект, которому передаётся информация, называют приёмником или получателем информации, а порождающий информацию объект - источником информации. Получатель информации использует (реализует) полученную информацию по её назначению. Обычно источник и приёмник информации разнесены в пространстве, т.е. располагаются на различном (часто весьма значительном) расстоянии. При этом возникает дополнительная задача обеспечения верности (достоверности) передаваемой информации, так как при передаче информация может быть искажена внешними воздействиями. Эти внешние (относительно системы), приводящие к искажению информации воздействия, принято называть помехами. Помехи, как правило, носят случайный характер и их источник заранее неизвестен.

Для «защиты» информации от помех в системах предусматривается ряд преобразований сигналов. Этими преобразованиями сигналам придаются такая форма и структура, которые позволяют передавать информацию без ошибок (искажений) при наличии помех.

Сигнал - это материальный носитель информации, между параметрами которого и передаваемым сообщением существует однозначное информационное соответствие. При всех преобразованиях (формы и структуры) сигнала содержащееся в нём количество информации должно оставаться и остаётся неизменным.

На рис. В2 приведена обобщённая структурная схема систем передачи информации. На схеме приняты следующие условные обозначения: УВв - устройство ввода информации; КУ - кодирующее устройство; ПРд - передатчик системы; ПРм - приёмник системы; ДКУ - декодирующее устройство и УВыв - устройство вывода (выдачи) информации.

Рис. В2. Обобщённая структурная схема систем передачи информации

В функции УВв входит врéменное хранение входных сигналов и их преобразование с целью получения унифицированных «первичных» (для системы) подлежащих передаче сигналов. Обычно это сигналы в виде напряжения постоянного или переменного тока, нормированные по своим параметрам. Они могут быть аналоговыми или дискретными и имеют «форму» и «структуру», подверженную влиянию помех. Состав блока УВв меняется в зависимости от наличия либо отсутствия первичных преобразователей информации и назначения передаваемой информации.

Кодирующее устройство (КУ) придаёт первичным сигналам форму и структуру, допускающую возможность передачи сигналов в условиях помех, - «кодирует» первичные сигналы и, вместе с тем, информацию. В общем случае под «кодированием» понимают процесс преобразования сообщения в сигнал. В результате кодирования образуются «кодированные сигналы», способные противостоять действию помех, и поэтому могут обеспечить желаемую верность передачи информации.

Передатчик (ПРд) и приёмник (ПРм) системы в совокупности с линией связи образуют устройство связи. Основной функцией этого устройства является создание (организация) требуемого числа каналов связи.

Материальная среда между передатчиком и приёмником системы называется линией связи. Линии связи могут быть «физическими» (проводными - электрическими или оптоволоконными) и «беспроводными», например лазерными, акустическими либо радиолиниями. Задача устройства связи - организовать на предоставленной (или выбранной) линии связи необходимое число каналов связи.

Канал связи - это путь независимой передачи сигналов (и информации) от конкретного источника к соответствующему получателю-приёмнику информации. Канал связи образуется набором технических средств и линией связи, создающих совместно эти независимые пути передачи. Так трактуется понятие канала связи в теории информации. В технике же часто под каналом связи понимают ту часть «пути», которая «проходит» по линии связи.

Как видно по структурной схеме, помехи действуют в линии связи, искажая передаваемые сигналы («линейные» сигналы), однако их действие всегда приводится к входу приёмника и проявляется в выходных его сигналах. Чтобы устранить влияние помех, в передатчике и приёмнике системы предусматривается ряд мер (и методов преобразований), направленных на обеспечение помехоустойчивости передачи-приёма сигналов. В блоке ПРд к таким методам относятся модуляция, фильтрация и усиление сигналов. На приёмной стороне (в блоке ПРм) этим целям служат усиление и фильтрация по частоте принимаемых сигналов, демодуляция сигналов. Кроме того, в приёмнике реализуются общие методы борьбы с помехами, например метод ШОУ (широкополосное усиление, ограничение по уровню, узкополосное усиление). Отметим, что помехи могут возникать и в блоках либо в связях между блоками системы - это так называемые внутренние помехи; однако эти помехи не учитывают, поскольку их можно устранить при конструировании и изготовлении устройств.

Основное назначение декодирующего устройства (ДКУ) - реализовать процесс, обратный процессу кодирования. При декодировании принимаемые (кодированные) сигналы вновь преобразуются в первичные сигналы, соответствующие таким же сигналам на передающей стороне. В зависимости от выбранного кода возникающие под действием помех ошибки могут быть обнаружены и даже исправлены. За счёт этого может быть обеспечена высокая верность приёма информации и даже «секретность» её передачи.

Устройство вывода УВыв содержит преобразователи декодированных сигналов в сигналы, форму и вид которых способен воспринять конкретный получатель информации. Кроме того, здесь может быть предусмотрена буферная память декодированных сигналов на интервал времени, достаточный для фиксации получателем информации принятого сообщения.

Несмотря на всё многообразие используемых в энергосистемах систем передачи информации, можно сформулировать ряд общих и обязательных требований к ним. Любая система передачи любого вида информации должна обеспечить:

1) высокую верность и помехоустойчивость;

2) высокую эффективность передачи;

3) высокую экономичность передачи информации.

Первое требование понятно и легко объяснимо. Под эффективностью обычно понимают обеспечение максимальной скорости передачи при заданных требованиях к верности и помехоустойчивости. Это требование сводится к передаче максимального количества информации за минимальное время. Отметим, что первые два требования противоречивы, поскольку методы их обеспечения приводят к противоположным результатам. Поэтому приходится решать оптимизационную задачу, удовлетворяя одному требованию при возможном варианте достижения второго требования. Требование же на обеспечение высокой экономичности заключается в минимизации аппаратурных и стоимостных затрат на передачу информации. Это требование решается на этапах технического проектирования и сводится к использованию типовых проектных решений и унифицированных технических средств.

В энергетике основными объектами управления являются процессы - технологические процессы производства энергии, процессы транспортировки и распределения энергии потребителям. По определению транспортировать - означает перемещать в пространстве. Этой цели служат электрические и тепловые сети (ЭС и ТС). Поскольку процесс транспортирования, например электроэнергии, связан с преобразованием «качества» транспортируемого продукта (энергии), то можно говорить о технологическом процессе транспортирования. По определению, технологический процесс - это процесс получения «нового» продукта, продукта лучшего качества, на основе исходных продуктов (материалов) путём применения к этим материалам специальных технологических операций и процедур, выполняемых в определённой последовательности. При этом «продуктом», «материалом» может быть и информация, тогда можно вести речь о технологии обработки (переработки) информации или об информационной технологии (ИТ).

Процессы, связанные с получением, обработкой и использованием (реализацией) информации, называют информационными процессами. А комплекс мероприятий, направленных на реализацию информационных процессов, есть информационное обеспечение систем управления.