BUDOWA I WA
ASNOÅšCI TYRYSTORA
 ZAWORU STEROWANEGO (DIODA STEROWANA)
1. Wiadomości wstępne.
1.1. Budowa tyrystora.
1.2. Charakterystyki i parametry tyrystora.
1.3. Komutacja w przekształtniku tyrystorowym.
1.3.1. Informacje wstępne.
1.3.2. Prostownik sterowany gwiazdowy trójpulsowy.
1.3.3. Praca falownikowa.
1.3.4. Proces komutacji.
1.3.5. Charakterystyka sterowania.
REGULACJA PR
DKOÅšCI SILNIKA OBCOWZBUDNEGO
PR
DU STAA
EGO W UKA
ADZIE
SZEREGOWEGO POA

CZENIA REGULATORÓW
1. Wiadomości wstępne
1.1. Budowa tyrystora.
Tyrystor, nazywany tak\
e diodÄ… sterowanÄ…, jest krzemowym elementem
półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n (rys. 1). Elektrody
wyprowadzone od skrajnych warstw tworzÄ… odpowiednio anodÄ™ (A) i katodÄ™ (K).
Elektroda wyprowadzona ze środkowego obszaru typu p nazywa się bramką (B). Przy
odłączonej bramce (otwarty łącznik W na rys. 1b) tyrystor nie przewodzi prądu nawet
przy dodatniej polaryzacji anody względem katody (tzn. do anody przyłączony jest
dodatni biegun z
ródła napięcia, a do katody ujemny). Nieprzewodzenie tyrystora
związane jest z zaporowym działaniem bariery potencjału, która znajduje się między
obszarami n i p. Obszary n i p tworzą zwykłą diodę półprzewodnikową. Dioda ta
spolaryzowana jest zaporowo tzn. do obszaru n przyło\
ony jest biegun  + , zaÅ› do
obszaru p biegun  - . Wytwarza się więc bariera potencjału, która zobrazowana jest na
rys.1b jako z. Bariera ta nie dopuszcza do przepływu nośników między anodą i katodą
tyrystora, w obwodzie zewnętrznym nie ma przepływu prądu. Wystarczy jednak
wywołać krótki impuls prądu w obwodzie bramki, zamykając na chwilę łącznik W, aby
wprowadzić tyrystor w stan przewodzenia. Po wejściu tyrystora w stan przewodzenia
bramka traci własności sterownicze, a zatem otwarcie łącznika w obwodzie bramki nie
przerywa prÄ…du anodowego.
Wyłączenie tyrystora mo\
na spowodować wyłączeniem napięcia anodowego,
zmianÄ… jego polaryzacji lub zmniejszeniem prÄ…du anodowego poni\
ej pewnej wartości
krytycznej, zwanej prÄ…dem podtrzymania. Wprowadzenie tyrystora w stan przewodzenia
impulsem prÄ…du bramki nazywa siÄ™ wyzwalaniem bramkowym.
Rys. 1. Tyrystor: a) symbol graficzny, b) struktura czterowarstwowa, c-d) schemat
zastępczy jako analogia dwutranzystorowa.
2
 Zasadę działania tyrystora mo\
na wyjaśnić zastępując strukturę
czterowarstwową p-n-p-n zestawieniem dwóch tranzystorów: tranzystora p-n-p (T1) oraz
tranzystora n-p-n (T2) - rys. 1c,d. Je\
eli do bazy tranzystora T2 (elektroda ta jest
jednocześnie bramką tyrystora) doprowadzimy dodatni impuls prądowy to tranzystor ten
zacznie przewodzić. Dzięki wzmacniającemu działaniu tranzystora w jego kolektorze
popłynie prąd IC2. Prąd ten jest jednocześnie prądem bazy tranzystora T1. Tranzystor T1
zacznie przewodzić. Następuje więc likwidacja zaporowego działania bariery
potencjału. W układzie zastępczym istnieje dodatnie sprzę\
enie zwrotne. Polega to na
tym, \
e prąd kolektora IC1 tranzystora T1 jest jednocześnie prądem bazy IB2 tranzystora
T2. Wzrastający prąd IC1 powoduje więc wzrost prądu IB2. Tranzystor T2 zostaje głębiej
wprowadzony w stan przewodzenia. Wzrasta więc prąd IC2=IB1. Powoduje to, \
e
i tranzystor T1 zostaje głębiej wprowadzony w stan przewodzenia. Efektem tego jest
gwałtowny wzrost prądu przepływającego przez całą strukturę. Tyrystor zaczął więc
przewodzić. Na podstawie analizy matematycznej schematu zastępczego tyrystora
mo\
na wyprowadzić zale\
ność na prąd przewodzenia tyrystora ID:
IC
0
(1)
I =
D
1- (Ä…1 +Ä…2 )
gdzie:
ID - prÄ…d przewodzenia
IC - prÄ…d generowany cieplnie w warstwie z
0
ą1,ą2 - współczynniki wzmocnienia prądowego tranzystorów u\
ywanych w
schemacie zastępczym (rys. 1d).
W zale\
ności od wartości sumy (ą1,ą2) rozró\
niamy następujące stany pracy tyrystora
przy polaryzacji przepustowej ( anoda +, katoda -).
- blokowanie (stan nieprzewodzenia)
10 + Ä…2 << 1
(Ä…1
)
W tym przypadku jak wynika z zale\
ności (1) prąd tyrystora osiąga niewielkie
wartości: ID E" IC .
0
- przełączenie (załączenie)
20 + Ä…2 dÄ…\
y do 1
(Ä…1
)
- przewodzenie
30 + Ä…2 bliskie 1
(Ä…1
)
Przy tym warunku prąd struktury silnie wzrasta do wartości ustalonej,
ograniczonej rezystancją obwodu zewnętrznego tyrystora i przyło\
onym do
obwodu napięciem (rys. 2). Spadek napięcia na przewodzącym tyrystorze UD
jest rzędu kilku woltów. Stanowi to więc nikły procent przyło\
onego napięcia
zewnętrznego.
3
Rys. 2. Tyrystor z obwodem zewnętrznym w stanie przewodzenia
Je\
eli nastąpiło ju\
wejście tyrystora w stan przewodzenia, to stan ten jest samoczynnie
podtrzymywany, gdy\
dzięki przepływowi du\
ego prądu ID suma współczynników
ą1 + ą2 jest stale bliska jedności. Tyrystor pracuje wówczas jak zwykła dioda.
Najistotniejszą cechą odró\
niającą tyrystor od diody półprzewodnikowej jest
mo\
liwość nieprzewodzenia mimo polaryzacji przepustowej. Właściwość tę uzyskuje
się dzięki zaporowemu działaniu bariery potencjału (rys. 1) - pozostałe złącza
spolaryzowane sÄ… przepustowo. StÄ…d te\
wywodzi siÄ™ nazwa - dioda sterowana.
Oprócz opisanego wyzwalania bramkowego, przejście tyrystora ze stanu
blokowania do stanu przewodzenia mo\
e nastąpić wskutek następujących czynników:
" przy przekroczeniu pewnej granicznej wartości napięcia UD między anodą
i katodą tyrystora (wyzwalanie napięciowe),
" przy przekroczeniu granicznej temperatury złącza (przełączanie
temperaturowe),
" pod wpływem energii świetlnej doprowadzonej do złącza (wyzwalanie
świetlne),
" przy przekroczeniu pewnej maksymalnej szybkości narastania napięcia na
tyrystorze du dt (prąd pojemnościowy płynący przez złącze mo\
e wywołać
taki sam efekt jak prÄ…d bramki).
Wy\
ej wymienione mo\
liwości załączania tyrystora wynikają z wpływu na ą1 i ą2
określonych parametrów (np. T, ID, UD), co przedstawiono na rys.3.
Rys. 3. Wpływ ró\
nych wielkości na współczynniki wzmocnienia prądowego
tranzystorów zastępczych
4
 W przypadku niewłaściwej konstrukcji lub eksploatacji urządzeń tyrystorowych
wymienione czynniki mogą powodować niezmierzone wyzwalanie tyrystorów. Niektóre
z nich wykorzystuje się celowo w elementach stanowiących odmiany tyrystorów. Na
zasadzie wyzwalania napięciowego pracuję diody czterowarstwowe zwane dynistorami,
a wyzwalanie świetlne wykorzystywane jest w fototyrystorach.
1.2. Charakterystyka i parametry tyrystora.
Charakterystyki statyczne i parametry obwodu głównego.
Obwodem głównym tyrystora nazywamy obwód prądowy, w którym są
włączone główne elektrody tyrystora: anoda i katoda. W obwodzie tym płynie prąd.
Charakterystyka napięciowo -prądowa (główna) tyrystora (rys. 4) ilustruje trzy
omówione stany pracy przy polaryzacji przepustowej: stabilny stan blokowania,
niestabilny stan przełączania, stabilny stan przewodzenia oraz stan zaporowy przy
polaryzacji wstecznej. Jak widać tyrystor jest elementem nieliniowym o rezystancji
dodatniej w stanach blokowania i przewodzenia oraz ujemnej w stanie przełączania.
Rys. 4. Charakterystyka napięciowo-prądowa obwodu głównego tyrystora:
a-bez prÄ…du bramki, b-z prÄ…dem bramki, 1-charakterystyka w stanie przewodzenia, 2-
charakterystyka w stanie blokowania, 3-charakterystyka w stanie zaporowym, 4-obszar
przebicia, 5-prąd podtrzymania, 6-prąd włączania, 7-aproksymacja prostoliniowa w
stanie przewodzenia, 8-napięcie progowe, 9-rezystancja dynamiczna w stanie
przewodzenia, 10-napięcie przełączania, 11-prąd przełączania, 12-napięcie przebicia
5
Stan blokowania - charakteryzują współrzędne UD, ID punktu szczytowego (U , ID -
D0 0
bez prądu bramki) odpowiadającego przełączaniu, tj. napięcie przełączania i prąd
przełączania. Prąd przełączania odpowiadający przejściu ze stanu blokowania do stanu
przewodzenia nosi nazwę prądu włączenia IL. Natomiast prąd przełączania
odpowiadający przejściu ze stanu przewodzenia do stanu blokowania nosi nazwę prądu
podtrzymania IH.
Podstawowym parametrem charakteryzującym stan przewodzenia jest największy
prÄ…d przewodzenia. Stan polaryzacji wstecznej tyrystora nazywa siÄ™ stanem
zaporowym (stan zaporowy przy polaryzacji wstecznej). W stanie tym płynie przez
tyrystor niewielki prąd wsteczny pod warunkiem nieprzekroczenia największego
szczytowego napięcia wstecznego U .
Rmax
Parametry i charakterystyki obwodu bramki.
Złącze bramka - katoda ma na ogół słabe właściwości prostujące (rys. 5).
Charakteryzuje się ono równie\
stosunkowo małym napięciem przebicia lawinowego
przy polaryzacji wstecznej.
Rys. 5. Charakterystyka napięciowo-prądowa obwodu bramki
Poniewa\
charakterystyki bramkowe wskazujÄ… stosunkowo du\
y rozrzut
technologiczny, katalogowe charakterystyki napięciowo-prądowe bramki tyrystora
przedstawione są zawsze w postaci dwóch krzywych granicznych (rys.6), między
którymi powinna le\
eć charakterystyka dowolnie wybranego egzemplarza tyrystora
danego typu.
6
Rys. 6. Układ zastępczy z
ródła sygnałów sterujących (a), sposób wyznaczania prostej
obciÄ…\
enia oraz obszary pracy obwodu bramki (b)
Oznaczenia:
U
największe szczytowe napięcie przewodzenia bramki
Bmax
IB
największy szczytowy prąd przewodzenia bramki
max
U
napięcia przełączające (wyzwalające) bramki
Bz
IB
prąd przełączający (wyzwalający) bramki
z
"P
hiperbola dopuszczalnej straty mocy w bramce
p
prosta obciÄ…\
enia obwodu bramkowego
temperatury złącza bramka-katoda
Ń
j
A obszar niemo\
liwych przełączeń tyrystora. Na rys. 6b podana jest równie\

największa wartość napięcia i prądu bramki UB , IB , która nie spowoduje
0 0
włączenia ani jednego tyrystora danego typu.
B obszar mo\
liwych przełączeń tyrystora lub tzw. obszar niepewnego
wyzwalania. Proste pionowe i poziome, które przecinają ten obszar,
wyznaczają minimalną wartość prądu i napięcia bramki niezbędną do
wyzwolenia tyrystora przy określonej temperaturze struktury. Im ni\
sza jest
temperatura struktury p-n-p-n, tym wy\
sza jest wartość wyzwalającego
prądu i napięcia bramki.
C obszar pewnych przełączeń (pewnego wyzwalania).
Prosta obciÄ…\
enia z
ródła sygnału sterującego powinna przecinać napięciowo-prądową
charakterystykę bramkową danego tyrystora w obszarze pewnych przełączeń. Punkt
wyzwalania powinien znajdować się dostatecznie blisko krzywej dopuszczalnej straty
mocy w bramce.
7
Na rysunku 6a przedstawiono układ zastępczy z
ródła sygnałów sterujących składający
się z SEM EB i rezystancji wewnętrznej Rw. Prosta obcią\
enia p tego z
ródła
poprowadzona jest w ten sposób, \
e punkt pracy k, tj. punkt przecięcia tej prostej z
charakterystyką bramkową, znajduje się w obszarze pewnych przełączeń, w pobli\
u
krzywej dopuszczalnych strat mocy.
Prosta obciÄ…\
enia wyznacza na osiach współrzędnych napięcie z
ródła bramkowego EB i
prÄ…d zwarcia Izw = EB Rw .
Jeśli SEM z
ródła sygnałów sterujących jest funkcją czasu eB(t), co ma miejsce w
sterowaniu impulsowym, to prosta obciÄ…\
enia (rys. 6b) w czasie narastania sygnału
przemieszcza się równolegle od punktu zero osi współrzędnych do poło\
enia
maksymalnego, które osiąga przy amplitudzie napięcia sterującego.
1.3. Komutacja w przekształtniku tyrystorowym
1.3.1. Informacje wstępne
8
1.3.2. Prostownik sterowany gwiazdowy trójpulsowy.
9
10
11
1.3.3. Praca falownikowa.
12
13
1.3.4. Proces komutacji.
14
15
1.3.5. Charakterystyka sterowania.
16
REGULACJA PR
DKOÅšCI SILNIKA OBCOWZBUDNEGO
PR
DU STAA
EGO W UKA
ADZIE
SZEREGOWEGO POA

CZENIA REGULATORÓW
Układ regulacji zamkniętej n - parametrowy:
TYRYSTOROWY UKA
AD NAP
DOWY Z SILNIKIEM PR
DU STAA
EGO
O REGULATORACH POA

CZONYCH SZEREGOWO:
PT  przekształtnik tyrystorowy
R&! - regulator prędkości
UW  układ wyzwalania tyrystorów
RI  regulator prÄ…du
GT  prÄ…dniczka tachometryczna
M  silnik obcowzbudny
17
SCHEMAT IDEOWY TYRYSTOROWEGO UKA
ADU NAP
DOWEGO Z SILNIKIEM PR
DU
STAA
EGO O REGULATORACH POA

CZONYCH SZEREGOWO:
Rw - regulator prędkości
RI  regulator prÄ…du
TG  prÄ…dniczka tachometryczna
M  silnik obcowzbudny
PP  pomiar prÄ…du
SCHEMAT IDEOWY REGULATORA PI:
Transmitancja regulatora PI
1
R2 +
C1s R2 1
G(s) = = +
R1 R1 R1C1
Charakterystyki statyczne:
Regulatora prędkości :
Regulatora prÄ…du:
18
UKA
AD REGULACJI PR
DKOÅšCI:
Przy obciÄ…\
eniu spełniającym warunek:
M U
Z zI
<
È k1
fc
pracuje regulator prędkości stabilizując prędkość zgodnie z sygnałem zadanym, wówczas:
Uz&! Mz Rp + Rt
&!m = - Å"
kT ¨fc k&!kPkT
Przy obciÄ…\
eniu spełniającym warunek:
M UZI kI -UR Im UZI
Z1
= H"
È k1kI k1
fc
pracę przejmuje regulator prądu stabilizując wartość prądu twornika (momentu) na poziomie tej
wartości, czyli zgodnie z sygnałem prądu zadanego
CHARAKTERYSTYKA MECHANICZNA SILNIKA OBCOWZBUDNEGO PR
DU STAA
EGO
W UKA
ADZIE O REGULATORACH SZEREGOWYCH:
19
SCHEMAT BLOKOWY TYRYSTOROWEGO UKA
ADU NAP
DOWEGO
O REGULATORACH POA

CZONYCH SZEREGOWO:
NASTAWY REGULATORÓW:
Nastawy regulatorów wyznacza się rozpoczynając od regulatora prądu (RI).
Transmitancja regulatora RI :
1+ s Å"Td
G1(s) = kd
s Å"Td gdzie:
T = T (czas zdwojenia = st. czasowej twornika)
d t
współczynnik wzmocnienia:
T
t
=
k
d
2Å"T Å"k Å"k Å"k
A i 0 t
Po skompensowaniu stałej czasowej Tt, obwód regulacji prądu staje się w przybli\
eniu
członem inercyjnym pierwszego rzędu o zastępczej stałej czasowej TA
" wg. kryterium modułu optymalnego:
TA = 2Å" (T0 + Ti )
" wg. kryterium symetrii:
TA = 4 Å"(T0 + Ti )
Transmitancja układu zamkniętego ze sprzę\
eniem prÄ…dowym ujemnym z
uwzględnieniem nastawy regulatora RI (wg. kryterium modułu):
1 1+ sTt 1 1
(s) = Å" H" Å"
G
zI
ki s2 Å"TA Å"(1+ s Å"TA) +1 ki 1+ s2 Å"TA
Po uwzględnieniu przybli\
enia schemat blokowy układu napędowego upraszcza się:
20
Transmitancja regulatora prędkości:
1+ sTR
GR&!(s) = kR Å"
sTR
gdzie:
TM
kR =
2 Å"kA Å"È Å"TA Å" kT
fc
Parametry regulatora wyznacza siÄ™ korzystajÄ…c z kryterium symetrii:
TR = 4Å"TA
21