Диоды, принцип действия и вольтамперная характеристика. Основные параметры силовых диодов.
Диоды – полупроводниковые элементы, которые имеют два вывода и проводят ток в одном направлении.
П – переход; А – анод; К – катод.
3 случая полупроводниковой структуры:
1) Не подключен источник питания. В этом случае активные показатели заряда диффундируют в соседние области.
В результате диффузии основных носителей заряда области p-перехода создаётся зола, обедненная основными носителями заряда. Возникает потенциальный барьер (разность потенциалов 1В). Движение основных носителей заряда создает диффузионный ток. Кроме этого, поле потенциального барьера притягивает неосновные носители заряда, которые присутствуют в слоях. Это вызывает дрейфовый ток. Дрейфовый и диффузионный ток взаимокомпенсируются.
2. К аноду подключен «+», к катоду – «-» (от ИП). В этом случае поля потенциального барьера увеличивается, диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток увеличивается. Данная ситуация описывается прямой ветвью ВАХ.
1 – прямая ветвь ВАХ (прямое включение диода);
2 – обратная (обратное включение диода).
3. К аноду подключен «-» внешнего ИП. В этом случае поле потенциального барьера увеличивается, диффузионный ток уменьшается, дрейфовый ток увеличивается. Описывается обратной ветвью ВАХ.
Основное назначение силовых диодов – создание выпрямителей тока.
Основные параметры и характеристики:
Предельный прямой ток диода (Imax) - максимально допустимый средний за период ток с частотой 50Гц, синусоидальной формы длительно протекающий через диод при их работе в однофазной однополупериодной схеме на активную нагрузку, при максимально допустимой температуре р-n - перехода и определенных условиях теплоотвода. Это основной параметр прибора, определяющий его тип.
Предельное обратное напряжение (Umax) - наибольшее мгновенное напряжение прикладываемое к диоду в обратном направлении, с учетом всех повторяющихся переходных напряжений. Класс вентиля обозначается цифрой, являющийся частным от деления на 100 повторяющегося напряжения.
Тиристоры, принцип действия и вольтамперная характеристика. Основные параметры силовых тиристоров.
Тиристор –управляемый диод с 4х-слойной pn-pn структурой, обладающий двумя устойчивыми состояниями: низкой проводимости (тиристор закрыт); высокой проводимости (тиристор открыт).
3 типа:
1. Двухэлектродные – динисторы.
2. Трех электродные – тиристоры.
3. Двух полупериодные – синисторы.
Условие включения тиристора (при одновременном соблюдении двух условий):
1. На аноде положительный потенциал относительно катода.
2. На управляемом электроде положительный потенциал относительно катода.
Условие выключения тиристора (выключается самостоятельно при одновременном соблюдении двух условий):
1. Ток через структуру равен нулю.
2. На аноде отрицательный потенциал относительно катода.
Структура условного обозначения:
ТБИ 271-200-14-А2-Р3-УХЛ2
ТБИ – быстродействующий импульсный.
271 – конструктивное исполнение.
200 – максимальный прямой ток, А.
14 – класс тиристора (х100=1400В – максимальноеUобр).
А2 – критическая скорость нарастания U в закрытом состоянии.
Р3 – группа по времени включения.
УХЛ – климатическое исполнение (умеренно-холодное).
2 - категория размещения.
В зависимости от максимального прямого тока делятся на:
1. До 0,3 А – малой мощности.
2. От 0,3 до 10 А – средней мощности.
3. Более 10 А – мощные (силовые):
- с плоским основанием.
- штыревого типа.
- таблеточного типа.
Основные параметры (как и у диодов):
1. Максимальный прямой ток. Это максимально допустимое значение тока с f=50 Гц sin-формы длительно протекающий через тиристор при работе в однородной однополупериодной схеме на активную нагрузку при угле включения α=0 при максимально допустимой температуре перехода.
2. Максимальное обратное напряжение. Это наибольшее мгновенное напряжение, прикладываемое к тиристору в обратном направлении и прямом закрытом направлении.
α – угол включения тиристора – угол измеряемый в электронных градусах от точки естественного отпирания тиристора (+на аноде) до момента подачи импульса на управляющий электрод.
Изменяя угол включения тиристора можно изменять действующее значение тока или напряжения (принцип импульсно-фазового регулирования).
Принцип импульсно-фазового регулирования сварочного тока. Требования к системам импульсно-фазового регулирования.
Принцип импульсно-фазового регулирования сварочного токазаключается в изменении угла включения тиристоров и соответствующего изменения действующего значения тока.
Анализ системы фазового регулирования показывает, что управлять величиной сварочного тока и напряжения можно изменяя величину напряжения управления Uу. Изменять величину тока можно вручную или автоматически. Последнее свойство позволяет сделать выпрямитель с универсальной внешней характеристикой; падающей или жесткой.
Падающие внешние характеристики выпрямителя формируются за счет отрицательной обратной связи по сварочному току. В цепи обратной связи предусмотрено устройство для измерения сварочного тока. Наклон внешней характеристики выпрямителя регулирует путем изменения коэффициента усиления транзисторного усилителя. При глубокой обратной связи на рабочем участке вольт-амперной характеристики источника питания сварочный ток практически не зависит от напряжения на дуге (длины дуги) и колебаний напряжения сети.
Для получения жестких стабилизированных характеристик используется отрицательная обратная связь по напряжению дуги. Датчик напряжения обычно представляет собой делитель напряжения, который подключает непосредственно к выходным зажимам выпрямителя (до сглаживающего дросселя).
Требования к системе фазового управления:
1. Параметры импульсов управления должны обеспечивать гарантированное включение любого тиристора выбранного типа в заданном диапазоне температур работы сварочного выпрямителя.
2. СФУ должна обеспечивать определенную очередность включения тиристоров в схеме выпрямления. Интервалы между управляющими импульсами, подаваемыми на очередные вентили схемы выпрямления, равны wT/m, где w и Т – угловая частота и период напряжения сети; m-число фаз схемы выпрямления, равное частоте пульсаций выпрямленного напряжения. Отклонение интервалов между импульсами от значения, равного wT/m, называется асимметрией управляющих импульсов.
3. Диапазон изменения фазы управляющих импульсов должен соответствовать схеме выпрямления и характеру нагрузки. Например, в трехфазной мостовой схеме выпрямления и шестифазной схеме с уравнительным дросселем при полном регулировании выходного напряжения диапазон изменения фазы управляющих импульсов должен быть 0-120о при активной нагрузке и 0-90о при индуктивности.
4. Сигналы помех, генерируемые в СФУ, а также наводимые из силовой сети или схемы выпрямления, должны быть меньше допустимых, при которых может происходить срабатывание тиристоров при заданных температурах.
5. Так как сварочный выпрямитель, как правило, представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования то с учетом специфики нагрузки (сварочная дуга) СФУ должна обладать высоким быстродействием.
6. Сварочный выпрямитель является массовым и недорогим аппаратом, СФУ – самый многоэлементный и слабый узел сварочного выпрямителя. Поэтому наряду с перечисленными техническими требованиями стоимость, надежность и ремонтоспособность зачастую являются определяющими факторами при разработке ОФУ сварочных выпрямителей.