6.4 Формирователи управляющих импульсов на основе тиристоров

На основе различных видов тиристоров могут быть выполнены все функциональные узлы СУ, которые рассмотрены в синхронизирующие устройства, формирователи тактовых импульсов, генераторы импульсов с заданными параметрами, логические устройства, устройства сравнения электрических величин (пороговые устройства), формирователи и усилители импульсов выходных каскадов. Необходимость применения для реализации перечисленных устройств именно тиристоров должна быть обоснована сравнением с другими возможными вариантами исполнения, экономическими или техническими преимуществами.

В частности, решающими факторами в пользу применения тиристоров могут стать простота и надежность схем, совместимость с конструктивными узлами СУ, выполненными на других элементах, меньшая чувствительность к внешним помехам, высокие допустимые параметры по току и напряжению и др. Так, механизм коммутации запираемых тиристоров (включение и выключение обеспечиваются разнополярными короткими импульсами тока) предопределяет преимущество их по сравнению с транзистором в отношении затрат мощности на управление.

Для удержания во включенном состоянии транзистора на его базе должен все время быть управляющий ток. С увеличением коммутируемой мощности увеличивается и ток базы, тогда как у тиристоров управляющий ток практически не зависит от тока в анодной цепи. Наиболее эффективно применение тиристоров в выходных каскадах формирователей управляющих импульсов для тиристорных блоков большой мощности. Поэтому ниже рассмотрим примеры реализации именно этих схем.

Основным элементом формирователя-усилителя прямоугольных импульсных сигналов, представленного на рисунке 6.13 , является запираемый тиристор VS₂. Его включение и выключение обеспечиваются одним импульсом тока отрицательной полярности в отношению к катоду, поступающим на зажим «Вход». При отсутствии входного сигнала тиристор VS₁ и запираемый тиристор закрыты и формирователь не потребляет энергии от источника питания. При поступлении входного сигнала на управляющий электрод тиристора VS₂ по цепи: VD₂ − управляющий электрод VS₂-R_H-R₃ − тиристор включается и на нагрузке формируется фронт выходного импульса.

После включения тиристора VS₂ к аноду диода VD₁ оказываются приложенными два напряжения: положительное напряжение источника питания через резистор R₁, так как потенциал управляющего электрода тиристора VS₂ практически равен потенциалу его катода, и отрицательное ш через резистор R₂. Диод VD₁ закрыт, пока выполняется условие

,

где R_Г − внутреннее сопротивление генератора входных

сигналов.

Поэтому до окончания воздействия входного импульса напряжения диод VD₁ смещается в обратном направлении и напряжение на управляющий электрод тиристора VS₁ не поступает. При прекращении входного импульса диод VD₁ переходит в проводящее состояние и, если R₁<(U-U_Т)I_Т, тиристор VS₁ включается. В результате сопротивление нагрузки оказывается зашунтированным, запираемый тиристор выключается, обеспечивая формирование среза выходного импульса напряжения (тока).

Схема возвращается к исходному состоянию. Коэффициент усиления по мощности, обеспечиваемый схемой, достигает значений 10⁴…10⁵. При постоянном напряжении источника анодного питания форма выходных импульсов напряжения близка к прямоугольной (импульс 1 на рисунке 6.13).

В большинстве своем современные тиристоры нечувствительны к форме управляющего сигнала, так как их полупроводниковая структура содержит собственный усилитель входных импульсов. В процессе изготовления основной структуры технологически реализуется структура дополнительного тиристора малой мощности (или транзистора), включенного в цепь управления основного тиристора.

Поэтому поступающий на управляющий электрод входной импульс должен обеспечить лишь ввод в структуру определенного заряда Q_G, достаточного для включения вспомогательного тиристора.

Последующее лавинообразное нарастание заряда в базовых областях структуры основного тиристора уже не зависит от параметров входного импульса тока. Следовательно, в данном случае к параметрам управляющих импульсов не предъявляется жестких требований. Форма импульсов может быть прямоугольной (1), трапецеидальной (2), треугольной (3), экспоненциальной (5) (рисунок 6.14).

Рисунок 6.13 − Формы управляющих импульсов

Если в тиристоре не предусмотрено внутриструктурное усиление входных импульсов тока, то возникает необходимость в формировании управляющих импульсов, параметры которых зависят от режима работы тиристора (ток, напряжение, частота, скорость нарастания анодного тока при включении) и принципиальной схемы силового блока. В частности, включение высоковольтного мощного тиристора, работающего в режиме с предельной нагрузкой или при высокой скорости нарастания анодного тока, необходимо осуществлять управляющим импульсом тока с резким фронтом и с максимально допустимой при данной длительности амплитудой.

При этом достигается увеличение первоначальной включенной области структуры тиристора и, следовательно, снижение вероятности повреждения его из-за локального перегрева, снижение коммутационных потерь энергии, уменьшение времени задержки включения.

Последний фактор имеет важное значение при последовательном или параллельном соединении тиристоров в силовом блоке для обеспечения одновременного их включения. Причем это относится и к тиристорам, имеющим собственные (внутриструктурные) усилители входных сигналов.

При заданной длительности управляющего тока его амплитудное значение ограничивается допустимой мощностью, рассеиваемой на управляющем электроде. Поэтому, если длительность импульса определяется условиями нарастания анодного тока (параметрами коммутируемой цепи) до тока включения I_L и ее уменьшать нельзя, необходимо изменять форму импульсов.

Некоторые из приемлемых форм импульсов показаны на рисунке 6.13 (импульсы 4, 5 и 6). Характерным для всех этих импульсов является высокая скорость нарастания фронта, уменьшение тока, по мере увеличения длительности импульса. Импульсы 4 и 6 получаются в результате суммирования серии коротких импульсов с убывающей амплитудой.

Необходимость в формировании таких импульсов возникает, когда надо потенциально разделить силовую цепь аппарата и систему управления. В этом случае управляющие импульсы передаются к тиристорам через изолирующие трансформаторы, которые являются одновременно элементами формирователей. Учитывая, что трансформаторы способны передавать без искажения импульсы ограниченной длительности, приходится создавать генераторы импульсов повышенной частоты (3 − 5 кГц) и серией коротких импульсов формировать управляющие импульсы с заданными параметрами.

Изменение амплитуды импульсов в серии по заданному закону (линейный, экспоненциальный) обеспечивается обычно автоматическим регулированием напряжения источника питания в процессе генерирования коротких импульсов.

Рисунок 6.14 − Схема формирователя сдвоенных импульсов

Если необходимая длительность управляющего сигнала не превышает 300…400 мкс, требуемая импульсная мощность может быть передана на управляющий электрод тиристора одним импульсом с оптимальными параметрами (импульс 5 на рисунке 6.13). Принцип формирования таких импульсов рассмотрим на примере схемы, приведенной на рисунке 6.14. Основным коммутирующим элементом в ней является тиристор VS в анодную цепь которого последовательно включены трансформаторы Т₁ и Т₂.

Оба трансформатора выполнены на ферритовых кольцевых магнитопроводах с высокой индукцией насыщения. В исходном состоянии тиристор VS закрыт, а конденсаторы С₁ и С₂ заряжены с указанной на рисунке 6.15 полярностью до напряжения источника питания. Формирование управляющего импульса происходит при поступлении на входную цепь тиристора VS сигнала, например от блока синхронизации (БС рисунок 6.11).

Тиристор включается и замыкает контуры разрядки конденсаторов С₁ и С₂. Сопротивления этих контуров неодинаковы, так как в первом из них включен только один трансформатор Т₁ и резистор R_H, а второй контур дополнительно содержит трансформатор Т₂ и резистор R₂.

Это обусловливает различные режимы работы трансформаторов по току и, следовательно, на ведение неодинаковых по форме импульсов напряжения на зажимах вторичных обмоток. На выходе трансформатора Т₁ формируется короткий импульс с большой амплитудой и высокой крутизной фронта, а на выходе трансформатора Т₂ − импульс напряжения с относительно небольшой амплитудой, но с большой длительностью.

Окончательное формирование управляющего импульса происходит в результате суммирования выходных напряжений трансформаторов Т₁ и Т₂. Практически это осуществляется встречным соединением вторичных обмоток через разделительные диоды VD1 и VD₄. Диоды VD₂ и VD₃ в схеме предназначены для разделения контуров разрядки конденсаторов С₁ и С₂. Предварительная зарядка конденсаторов осуществляется через резисторы R₁ и R₃.

Реализуемая схемой форма импульсов считается оптимальной для любых условий работы тиристоров. Но из-за относительного усложнения формирователей и увеличения их стоимости на практике такие импульсы используются только при наличии повышенных требований к параметрам управления, т. е. при групповой работе тиристоров в силовых блоках, в комбинированных аппаратах, в узлах принудительной емкостной коммутации.