Общие понятия. 5.ГОСТ 8032-84Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел

5. ГОСТ 8032-84Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел.

Твердотельные реле

Общие понятия

Твердотельное реле – это устройство полупроводникового типа, используемое для бесконтактной коммутации силовых цепей разнообразных устройств, в основном, нагревательных элементов, маломощных двигателей, осветительных приборов.

Бесконтактная коммутация – коммутация электрической цепи за счет изменения проводимости полупроводниковых элементов, включенных в эту цепь последовательно с нагрузкой. При этом электрическая цепь физически не имеет видимого разрыва. Например, при «выключении» цепи проводимость полупроводникового прибора становится очень малой, т.е. его сопротивление увеличивается до десятков мегаОм (МОм). При «включении» цепи сопротивление полупроводникового прибора снижается до значения близкого к нулю - несколько миллиОм (мОм).

В качестве полупроводниковых приборов, включаемых в электрическую цепь последовательно с нагрузкой, используются диоды, транзисторы, тиристоры, симисторы. Основой полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p−n переход), главное свойство которого − односторонняя проводимость от области p (анод) к области n (катод). Эту идею наглядно передают условно-графические обозначения УГО полупроводниковых приборов (рис.6.1, 6.2). Диоды и тиристоры изображаются в виде равностороннего треугольника, который вместе с пересекающей его линией электрической связи образует подобие стрелки, которая указывает направление проводимости.

Рис. 6.1. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VD) изображение диода на электрических схемах

Тиристор (рис. 6.2) имеет отвод от одной из базовых областей, который называется управляющий электрод (УЭ). Управление может осуществляться как по аноду, так и по катоду. У тиристора для его открытия необходимо одновременное выполнение двух условий:

1) на анод следует подать «+», а на катод «−» или для переменного тока достаточно, чтобы потенциал анода был выше потенциала катода;

2) необходимо подать на управляющий электрод импульс напряжения относительно катода или анода определенной полярности, величины и длительности, чтобы под его воздействием по управляющему электроду начал протекать ток (согласно закону Ома), достаточный для открытия тиристора по направлению анод-катод.

Нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора), тиристор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Закрытие диода и тиристора обеспечивается снижением тока прямой проводимости ниже тока удержания. В схемах переменного тока это осуществляется автоматически каждую половину периода, так как напряжение, под действием которого протекает ток, периодически возрастает и снижается до нуля по синусоидальному закону.

Рис. 6.2. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VS) изображение тиристора на электрических схемах с аналогами подключения на полупроводниковых структурах: а) с управлением по аноду; б) с управлением по катоду

Важно помнить, что каждую половину периода происходит реальное выключение нагрузки вблизи моментов времени, когда ток, проходящий через основные электроды, приближается к току удержания (к нулю). Для активной нагрузки это происходит, когда напряжение на основных электродах тиристора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). И чтобы открыть («включить») тиристор, следует вновь подать импульс напряжения на управляющий электрод и обеспечить протекание достаточного управляющего тока через управляющий p-n переход. Поэтому управляющие импульсы напряжения должны периодически подаваться на управляющий электрод тиристора с частотой напряжения в сети.

Еще одной важной особенностью всех полупроводниковых приборов (диоды, тиристоры, симисторы, транзисторы, варисторы и проч.) является то, что во «включенном» (проводящем) положении на них возникает падение напряжения (согласно закону Ома для участка цепи). Для диодов и тиристоров оно составляет порядка 1-2В, что говорит о наличии определенного сопротивления p-n структуры. Поэтому при протекании тока нагрузки они будут нагреваться в соответствие с законом Джоуля-Ленца и во многих случаях потребуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов).

У контактных выключателей (например, у электромагнитного контактора) падение напряжения на контактах во включенном положении составляет менее 1В и значительного их нагрева не происходит, однако, они нагреваются в моменты коммутации (включения-отключения) за счет возникающего на контактах дугового разряда У диодов, тиристоров, симисторов на переменном токе коммутация при «выключении» всегда происходит в момент прохождения тока через нуль, поэтому дуга не возникает и существенного нагрева полупроводниковых структур в моменты коммутаций не происходит. Поэтому коммутационные аппараты на основе полупроводниковых приборов особенно эффективны при частых включениях и отключениях нагрузки, а также для коммутации больших значений тока.

Для создания твердотельного реле переменного тока необходимо два тиристора, собранных по встречно-параллельной схеме и включенных с нагрузкой последовательно (рис.6.3).

Рис. 6.3. Твердотельное реле переменного тока на двух тиристорах

При положительной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS 1 и возникает ток, протекающий через нагрузку - лампу накаливания. Ток лампы будет совпадать по фазе с напряжением, так как она обладает активным сопротивлением. При отрицательной полуволне напряжения и наличии управляющего импульса открывается тиристор VS 2 и возникает ток, который также будет совпадать по фазе с напряжением. Ток, протекающий по лампе, под действием синусоидального напряжения также будет «синусоидальным». Полностью синусоидальным его назвать нельзя, так как в кривой тока будет наблюдаться незначительный разрыв в момент перехода от положительной полуволны напряжения к отрицательной и наоборот, т.к. в начале каждого полупериода должно сформироваться достаточное превышение потенциала анода над потенциалом катода.

При активно-индуктивном характере нагрузки ток будет отставать по фазе от напряжения тем больше, чем больше величина индуктивного сопротивления по отношению к активному сопротивлению. Поэтому в момент появления тока напряжение будет достаточным для открытия соответствующего тиристора и разрыва в кривой тока наблюдаться не будет.

Симистор − полупроводниковый прибор, является разновидностью тиристора и используется для коммутации в цепях переменного тока. Основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу его структуры они являются и тем и другим одновременно.

Рис. 6.4. Условно-графическое и буквенно-цифровое (VST) изображение симистора на электрических схемах

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость у симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами возникает проводимость, нагрузка оказывается подключенной к источнику (сети). Симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Для его удержания в открытом состоянии также нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Выключение активной нагрузки происходит вблизи моментов времени, когда напряжение на основных электродах симистора меняет полярность (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети). При включенном положениина симисторе остаетсяминимальное напряжение U_ОСТ, поэтому он нагревается согласно закону Джоуля –Ленца и требуется применение устройств для отвода тепловой энергии (радиаторов).

Рис. 6.5. Вольт-амперная характеристика симистора

Поэтому при включении симистора последовательно с нагрузкой к источнику переменного синусоидального напряжения и подаче напряжения на управляющий электрод, к нагрузке будут приложены обе полуволны напряжения. Также как и в схеме с двумя тиристорами под действием этого напряжения по нагрузке будет протекать не совсем синусоидальный ток.

Поиск по сайту: