થાઇરિસ્ટર્સ: ઓપરેશનના સિદ્ધાંત, ડિઝાઇન, પ્રકારો અને સમાવેશની પદ્ધતિઓ

થાઇરિસ્ટરની કામગીરીનો સિદ્ધાંત

થાઈરિસ્ટર એ પાવર ઈલેક્ટ્રોનિક છે, જે સંપૂર્ણ રીતે નિયંત્રિત કરી શકાય તેવી સ્વીચ નથી. તેથી, કેટલીકવાર તકનીકી સાહિત્યમાં તેને સિંગલ-ઓપરેશન થાઇરિસ્ટર કહેવામાં આવે છે, જેને નિયંત્રણ સિગ્નલ દ્વારા જ વાહક સ્થિતિમાં ફેરવી શકાય છે, એટલે કે તેને ચાલુ કરી શકાય છે. તેને બંધ કરવા માટે (ડાયરેક્ટ કરંટ ઓપરેશનમાં), ડાયરેક્ટ કરંટ શૂન્ય થઈ જાય તેની ખાતરી કરવા માટે ખાસ પગલાં લેવા જોઈએ.

થાઇરિસ્ટર સ્વીચ ફક્ત એક દિશામાં જ પ્રવાહનું સંચાલન કરી શકે છે, અને બંધ સ્થિતિમાં તે ફોરવર્ડ અને રિવર્સ વોલ્ટેજ બંનેનો સામનો કરવામાં સક્ષમ છે.

થાઇરિસ્ટરમાં ત્રણ લીડ્સ સાથે ચાર-સ્તરનું p-n-p-n માળખું છે: એનોડ (A), કેથોડ (C) અને ગેટ (G), જે ફિગમાં બતાવવામાં આવ્યું છે. 1

ચોખા. 1. પરંપરાગત થાઇરિસ્ટર: a) — પરંપરાગત ગ્રાફિક હોદ્દો; b) — વોલ્ટ-એમ્પીયર લાક્ષણિકતા.

અંજીરમાં. 1b નિયંત્રણ વર્તમાન iG ના વિવિધ મૂલ્યો પર આઉટપુટ સ્ટેટિક I — V લાક્ષણિકતાઓનું કુટુંબ બતાવે છે. મર્યાદિત ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ કે જે થાઇરિસ્ટર તેને ચાલુ કર્યા વિના ટકી શકે છે તેની મહત્તમ કિંમતો iG = 0 છે.જેમ જેમ વર્તમાન વધે છે, iG થાઇરિસ્ટરનો સામનો કરી શકે તેવો વોલ્ટેજ ઘટાડે છે. થાઇરિસ્ટરની ચાલુ સ્થિતિ શાખા II ને અનુરૂપ છે, બંધ સ્થિતિ શાખા I ને અનુલક્ષે છે, અને સ્વિચિંગ પ્રક્રિયા શાખા III ને અનુરૂપ છે. હોલ્ડિંગ કરંટ અથવા હોલ્ડિંગ કરંટ એ ન્યૂનતમ માન્ય ફોરવર્ડ કરંટ iA ની બરાબર છે કે જેના પર થાઇરિસ્ટર ચાલુ રહે છે. આ મૂલ્ય થાઇરિસ્ટર પર ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ ડ્રોપના ન્યૂનતમ સંભવિત મૂલ્યને પણ અનુરૂપ છે.

શાખા IV રિવર્સ વોલ્ટેજ પર લિકેજ વર્તમાનની અવલંબન દર્શાવે છે. જ્યારે રિવર્સ વોલ્ટેજ UBO ના મૂલ્ય કરતાં વધી જાય છે, ત્યારે રિવર્સ વર્તમાનમાં તીવ્ર વધારો શરૂ થાય છે, જે થાઇરિસ્ટરની નિષ્ફળતા સાથે સંકળાયેલ છે. ભંગાણની પ્રકૃતિ બદલી ન શકાય તેવી પ્રક્રિયા અથવા સેમિકન્ડક્ટર ઝેનર ડાયોડના સંચાલનમાં સહજ હિમપ્રપાત ભંગાણ પ્રક્રિયાને અનુરૂપ હોઈ શકે છે.

થાઇરિસ્ટર્સ એ સૌથી શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રોનિક સ્વીચો છે, જે 1 kHz થી વધુની આવર્તન પર 5 kV સુધીના વોલ્ટેજ અને 5 kA સુધીના પ્રવાહો સાથે સર્કિટને સ્વિચ કરવામાં સક્ષમ છે.

thyristors ની રચના અંજીરમાં બતાવવામાં આવી છે. 2.

ચોખા. 2. થાઇરિસ્ટર બોક્સની ડિઝાઇન: a) — ટેબ્લેટ; b) - એક પિન

ડીસી થાઇરિસ્ટર

કેથોડની તુલનામાં સકારાત્મક ધ્રુવીયતા સાથે નિયંત્રણ સર્કિટ પર વર્તમાન પલ્સ લાગુ કરીને પરંપરાગત થાઇરિસ્ટર ચાલુ થાય છે. ટર્ન-ઓન દરમિયાન ક્ષણિક સમયગાળો ભારની પ્રકૃતિ (સક્રિય, પ્રેરક, વગેરે), કંપનવિસ્તાર અને નિયંત્રણ વર્તમાન પલ્સ iG ના વધારો દર, થાઇરિસ્ટરના સેમિકન્ડક્ટર સ્ટ્રક્ચરનું તાપમાન, દ્વારા નોંધપાત્ર રીતે પ્રભાવિત થાય છે. લાગુ કરેલ વોલ્ટેજ અને લોડ કરંટ.થાઇરિસ્ટર ધરાવતા સર્કિટમાં, ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ duAC/dt ના વધારાના દરના કોઈ અસ્વીકાર્ય મૂલ્યો ન હોવા જોઈએ, જ્યાં કંટ્રોલ સિગ્નલ iGની ગેરહાજરીમાં થાઇરિસ્ટરનું સ્વયંસ્ફુરિત સક્રિયકરણ થઈ શકે છે. વર્તમાન diA/તા. થી વધારો. તે જ સમયે, કંટ્રોલ સિગ્નલની ઢાળ ઊંચી હોવી આવશ્યક છે.

થાઇરિસ્ટર્સને બંધ કરવાની રીતોમાં, કુદરતી ટર્ન-ઑફ (અથવા કુદરતી સ્વિચિંગ) અને ફરજિયાત (અથવા કૃત્રિમ સ્વિચિંગ) વચ્ચે તફાવત કરવાનો રિવાજ છે. કુદરતી પરિવર્તન ત્યારે થાય છે જ્યારે થાઇરિસ્ટોર્સ વૈકલ્પિક સર્કિટમાં કાર્ય કરે છે તે ક્ષણે વર્તમાન શૂન્ય પર જાય છે.

ફરજિયાત સ્વિચિંગની પદ્ધતિઓ ખૂબ જ વૈવિધ્યસભર છે. તેમાંથી સૌથી લાક્ષણિક નીચે મુજબ છે: સ્વીચ S (આકૃતિ 3, a) સાથે પ્રી-ચાર્જ્ડ કેપેસિટર સીને જોડવું; એલસી સર્કિટને પ્રી-ચાર્જ્ડ કેપેસિટર CK (આકૃતિ 3 b) સાથે જોડવું; લોડ સર્કિટમાં ક્ષણિક પ્રક્રિયાની ઓસીલેટરી પ્રકૃતિનો ઉપયોગ (આકૃતિ 3, c).

ચોખા. 3. થાઇરિસ્ટોર્સના કૃત્રિમ સ્વિચિંગ માટેની પદ્ધતિઓ: a) — ચાર્જ્ડ કેપેસિટર C દ્વારા; b) — એલસી સર્કિટના ઓસીલેટરી ડિસ્ચાર્જ દ્વારા; c) — ભારની વધઘટ પ્રકૃતિને કારણે

જ્યારે અંજીર માં રેખાકૃતિ અનુસાર સ્વિચ. 3 અને રિવર્સ પોલેરિટીના સ્વિચિંગ કેપેસિટરને જોડવાથી, ઉદાહરણ તરીકે અન્ય સહાયક થાઇરિસ્ટર સાથે, તે વાહક મુખ્ય થાઇરિસ્ટરમાં ડિસ્ચાર્જ થવાનું કારણ બનશે. કેપેસિટરનો ડિસ્ચાર્જ પ્રવાહ થાઇરિસ્ટરના આગળના પ્રવાહની વિરુદ્ધ નિર્દેશિત હોવાથી, બાદમાં શૂન્ય થઈ જાય છે અને થાઈરિસ્ટર બંધ થઈ જાય છે.

ફિગ ના આકૃતિમાં. 3, b, LC સર્કિટનું જોડાણ સ્વિચિંગ કેપેસિટર CK ના ઓસીલેટીંગ ડિસ્ચાર્જનું કારણ બને છે.આ કિસ્સામાં, શરૂઆતમાં, સ્રાવ પ્રવાહ તેના આગળના પ્રવાહની વિરુદ્ધ થાઇરિસ્ટરમાંથી વહે છે, જ્યારે તે સમાન બને છે, ત્યારે થાઇરિસ્ટર બંધ થાય છે. વધુમાં, એલસી-સર્કિટનો પ્રવાહ thyristor VS થી ડાયોડ VD સુધી પસાર થાય છે. ડાયોડ વીડીમાંથી લૂપ કરંટ વહેતો હોવાથી, ખુલ્લા ડાયોડમાં વોલ્ટેજ ડ્રોપ જેટલો રિવર્સ વોલ્ટેજ થાઇરિસ્ટર VS પર લાગુ થશે.

ફિગ ના આકૃતિમાં. 3, થાઇરિસ્ટર VS ને જટિલ RLC લોડ સાથે જોડવાથી ક્ષણિક થશે. લોડના ચોક્કસ પરિમાણો સાથે, આ પ્રક્રિયામાં લોડ પ્રવાહની ધ્રુવીયતામાં ફેરફાર સાથે ઓસીલેટરી અક્ષર હોઈ શકે છે. આ કિસ્સામાં, થાઇરિસ્ટર VS બંધ કર્યા પછી, ડાયોડ વીડી ચાલુ થાય છે, જે પ્રવાહનું સંચાલન કરવાનું શરૂ કરે છે. વિરોધી ધ્રુવીયતા. કેટલીકવાર સ્વિચ કરવાની આ પદ્ધતિને અર્ધ-કુદરતી કહેવામાં આવે છે કારણ કે તેમાં લોડ પ્રવાહની ધ્રુવીયતામાં ફેરફારનો સમાવેશ થાય છે.

એસી થાઇરિસ્ટર

જ્યારે થાઇરિસ્ટર એસી સર્કિટ સાથે જોડાયેલ હોય, ત્યારે નીચેની કામગીરી શક્ય છે:

• સક્રિય અને સક્રિય-પ્રતિક્રિયાશીલ લોડ સાથે ઇલેક્ટ્રિક સર્કિટને ચાલુ અને બંધ કરવું;

• નિયંત્રણ સિગ્નલના સમયને સમાયોજિત કરવાનું શક્ય છે તે હકીકતને કારણે લોડ દ્વારા સરેરાશ અને અસરકારક વર્તમાન મૂલ્યોમાં ફેરફાર.

થાઇરિસ્ટર સ્વીચ માત્ર એક જ દિશામાં વિદ્યુત પ્રવાહ ચલાવવા માટે સક્ષમ હોવાથી, વૈકલ્પિક વર્તમાન થાઇરિસ્ટર્સના ઉપયોગ માટે, તેમના સમાંતર જોડાણનો ઉપયોગ થાય છે (ફિગ. 4, એ).

ચોખા. 4. થાઇરિસ્ટોર્સનું વિરોધી સમાંતર જોડાણ (a) અને સક્રિય લોડ સાથે વર્તમાનનો આકાર (b)

સરેરાશ અને અસરકારક પ્રવાહ thyristors VS1 અને VS2 પર જે સમયે ઓપનિંગ સિગ્નલ લાગુ કરવામાં આવે છે તેમાં ફેરફારને કારણે બદલાય છે, એટલે કે. કોણ બદલીને અને (ફિગ. 4, b).નિયમન દરમિયાન થાઇરિસ્ટોર્સ VS1 અને VS2 માટેના આ કોણના મૂલ્યો એક સાથે નિયંત્રણ સિસ્ટમ દ્વારા બદલવામાં આવે છે. કોણને થાઇરિસ્ટરનો નિયંત્રણ કોણ અથવા ફાયરિંગ કોણ કહેવામાં આવે છે.

પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણોમાં સૌથી વધુ ઉપયોગમાં લેવાતા તબક્કા (ફિગ. 4, એ, બી) અને પલ્સ પહોળાઈ (ફિગ. 4, સી) સાથે થાઇરિસ્ટર નિયંત્રણ છે.

ચોખા. 5. લોડ વોલ્ટેજનો પ્રકાર: a) — થાઇરિસ્ટરનું તબક્કા નિયંત્રણ; b) - ફરજિયાત પરિવર્તન સાથે થાઇરિસ્ટરનું તબક્કાવાર નિયંત્રણ; c) — પલ્સ પહોળાઈ thyristor નિયંત્રણ

ફરજિયાત પરિવર્તન સાથે થાઇરિસ્ટર નિયંત્રણની તબક્કા પદ્ધતિ સાથે, લોડ પ્રવાહનું નિયમન કોણ? અને કોણ? બંનેને બદલીને શક્ય છે?... કૃત્રિમ સ્વિચિંગ વિશિષ્ટ નોડ્સનો ઉપયોગ કરીને અથવા સંપૂર્ણ નિયંત્રિત (લોકીંગ) થાઇરિસ્ટોર્સનો ઉપયોગ કરીને હાથ ધરવામાં આવે છે.

Totkr દરમિયાન પલ્સ પહોળાઈ નિયંત્રણ (પલ્સ પહોળાઈ મોડ્યુલેશન — PWM) સાથે, થાઈરિસ્ટોર્સ પર નિયંત્રણ સંકેત લાગુ કરવામાં આવે છે, તેઓ ખુલ્લા હોય છે અને લોડ પર વોલ્ટેજ અન લાગુ થાય છે. Tacr સમય દરમિયાન, કંટ્રોલ સિગ્નલ ગેરહાજર હોય છે અને thyristors બિન-વાહક સ્થિતિમાં હોય છે. લોડમાં વર્તમાનનું RMS મૂલ્ય

જ્યાં In.m. — Tcl = 0 પર વર્તમાન લોડ કરો.

થાઇરિસ્ટોર્સના તબક્કા નિયંત્રણ સાથેના લોડમાં વર્તમાન વળાંક બિન-સાઇનસોઇડલ છે, જે સપ્લાય નેટવર્કના વોલ્ટેજના આકારમાં વિકૃતિનું કારણ બને છે અને ઉચ્ચ-આવર્તન વિક્ષેપ પ્રત્યે સંવેદનશીલ ગ્રાહકોના કાર્યમાં ખલેલ પહોંચાડે છે - કહેવાતા થાય છે. ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક અસંગતતા.

thyristors લોકીંગ

થાઇરિસ્ટર્સ એ સૌથી શક્તિશાળી ઇલેક્ટ્રોનિક સ્વીચો છે જેનો ઉપયોગ ઉચ્ચ વોલ્ટેજ, ઉચ્ચ પ્રવાહ (ઉચ્ચ વર્તમાન) સર્કિટને સ્વિચ કરવા માટે થાય છે.જો કે, તેમની પાસે નોંધપાત્ર ખામી છે - અપૂર્ણ નિયંત્રણક્ષમતા, જે એ હકીકતમાં પ્રગટ થાય છે કે તેમને બંધ કરવા માટે, ફોરવર્ડ વર્તમાનને શૂન્ય સુધી ઘટાડવા માટે શરતો બનાવવી જરૂરી છે. આ ઘણા કિસ્સાઓમાં thyristors ના ઉપયોગને મર્યાદિત અને જટિલ બનાવે છે.

આ ખામીને દૂર કરવા માટે, થાઈરીસ્ટોર્સ વિકસાવવામાં આવ્યા છે જે કંટ્રોલ ઈલેક્ટ્રોડ જીના સિગ્નલ દ્વારા લોક કરવામાં આવે છે. આવા થાઈરીસ્ટોર્સને ગેટ-ઓફ થાઈરીસ્ટોર્સ (GTO) અથવા ડ્યુઅલ-ઓપરેશન કહેવામાં આવે છે.

લોકીંગ થાઇરિસ્ટોર્સ (ઝેડટી) પાસે ચાર-સ્તરનું p-p-p-p માળખું છે, પરંતુ તે જ સમયે તેમાં સંખ્યાબંધ નોંધપાત્ર ડિઝાઇન સુવિધાઓ છે જે તેમને પરંપરાગત થાઇરિસ્ટોર્સથી સંપૂર્ણપણે અલગ આપે છે - સંપૂર્ણ નિયંત્રણક્ષમતાની મિલકત. આગળની દિશામાં ટર્ન-ઑફ થાઇરિસ્ટર્સની સ્થિર I-V લાક્ષણિકતા પરંપરાગત થાઇરિસ્ટર્સની I-V લાક્ષણિકતા જેવી જ છે. જો કે, લૉક-ઇન થાઇરિસ્ટર સામાન્ય રીતે મોટા રિવર્સ વોલ્ટેજને અવરોધિત કરવામાં અસમર્થ હોય છે અને તે ઘણીવાર એન્ટિ-સમાંતર ડાયોડ સાથે જોડાયેલ હોય છે. વધુમાં, લૉક-ઇન થાઇરિસ્ટર્સને નોંધપાત્ર ફોરવર્ડ વોલ્ટેજ ડ્રોપ્સ દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે. લૉકિંગ થાઇરિસ્ટરને બંધ કરવા માટે, બંધ ઇલેક્ટ્રોડના સર્કિટ પર નકારાત્મક પ્રવાહની એક શક્તિશાળી પલ્સ (આશરે 1: 5 સ્થિર પ્રવાહના મૂલ્યના સંબંધમાં) લાગુ કરવી જરૂરી છે, પરંતુ ટૂંકા સમયગાળા સાથે (10- 100 μs).

લોક-ઇન થાઇરિસ્ટર્સમાં પણ પરંપરાગત થાઇરિસ્ટોર્સ કરતાં ઓછા કટઓફ વોલ્ટેજ અને કરંટ (લગભગ 20-30%) હોય છે.

thyristors ના મુખ્ય પ્રકારો

લૉક-ઇન થાઇરિસ્ટર્સના અપવાદ સાથે, વિવિધ પ્રકારના થાઇરિસ્ટર્સની વિશાળ શ્રેણી વિકસાવવામાં આવી છે, જે ગતિ, નિયંત્રણ પ્રક્રિયાઓ, વાહક અવસ્થામાં પ્રવાહોની દિશા વગેરેમાં ભિન્ન છે.તેમાંથી, નીચેના પ્રકારો નોંધવા જોઈએ:

• થાઇરિસ્ટર ડાયોડ, જે એન્ટિસમાંતર કનેક્ટેડ ડાયોડ સાથે થાઇરિસ્ટરની સમકક્ષ છે (ફિગ. 6.12, એ);

• ડાયોડ થાઇરિસ્ટર (ડાયનિસ્ટર), જ્યારે ચોક્કસ વોલ્ટેજ સ્તર ઓળંગાઈ જાય ત્યારે વાહક સ્થિતિમાં સ્વિચ કરવું, A અને C વચ્ચે લાગુ થાય છે (ફિગ. 6, b);

• thyristor લોકીંગ (ફિગ. 6.12, c);

• સપ્રમાણ thyristor અથવા triac, જે બે એન્ટિસમાંતર જોડાયેલ thyristors (ફિગ. 6.12, d) ની સમકક્ષ છે;

• હાઇ-સ્પીડ ઇન્વર્ટર થાઇરિસ્ટર (બંધ સમય 5-50 μs);

• ફીલ્ડ thyristor, ઉદાહરણ તરીકે, thyristor સાથે MOS ટ્રાન્ઝિસ્ટરના સંયોજન પર આધારિત;

• પ્રકાશ પ્રવાહ દ્વારા નિયંત્રિત ઓપ્ટિકલ થાઇરિસ્ટર.

ચોખા. 6. થાઇરિસ્ટોર્સનું પરંપરાગત ગ્રાફિક હોદ્દો: a) — થાઇરિસ્ટર ડાયોડ; b) — ડાયોડ થાઇરિસ્ટર (ડાયનિસ્ટર); c) — થાઇરિસ્ટરને લૉક કરવું; ડી) - ટ્રાયક

થાઇરિસ્ટર રક્ષણ

થાઇરિસ્ટર્સ ફોરવર્ડ કરંટ diA/dt અને વોલ્ટેજ ડ્રોપ duAC/dt ના વધારાના દર માટે નિર્ણાયક ઉપકરણો છે. ડાયોડ્સ જેવા થાઇરિસ્ટર્સ, રિવર્સ રિકવરી કરંટની ઘટના દ્વારા વર્ગીકૃત કરવામાં આવે છે, જેનો શૂન્ય સુધીનો તીવ્ર ઘટાડો ઉચ્ચ ડ્યુએસી / ડીટી મૂલ્ય સાથે ઓવરવોલ્ટેજની શક્યતાને વધારે છે. આવા ઓવરવોલ્ટેજ એ સર્કિટના પ્રેરક તત્વોમાં વર્તમાનના અચાનક વિક્ષેપનું પરિણામ છે, જેમાં નાના ઇન્ડક્ટન્સ સ્થાપન. તેથી, વિવિધ CFTCP યોજનાઓનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે thyristors ને સુરક્ષિત કરવા માટે થાય છે, જે ડાયનેમિક મોડમાં diA/dt અને duAC/dt ના અસ્વીકાર્ય મૂલ્યો સામે રક્ષણ પૂરું પાડે છે.

મોટાભાગના કિસ્સાઓમાં, સમાવિષ્ટ થાઇરિસ્ટરના સર્કિટમાં સમાવિષ્ટ વોલ્ટેજ સ્ત્રોતોનો આંતરિક પ્રેરક પ્રતિકાર પૂરતો છે જેથી કરીને કોઈ વધારાના ઇન્ડક્ટન્સ LS રજૂ ન થાય.તેથી, વ્યવહારમાં, ઘણી વખત CFT ની જરૂર હોય છે જે ટ્રીપિંગ સર્જીસ (ફિગ. 7) ના સ્તર અને ઝડપને ઘટાડે છે.

ચોખા. 7. લાક્ષણિક thyristor રક્ષણ સર્કિટ

થાઇરિસ્ટર સાથે સમાંતર જોડાયેલા આરસી સર્કિટ સામાન્ય રીતે આ હેતુ માટે વપરાય છે. આરસી સર્કિટના વિવિધ સર્કિટ ફેરફારો અને થાઇરિસ્ટર્સના ઉપયોગની વિવિધ પરિસ્થિતિઓ માટે તેમના પરિમાણોની ગણતરી કરવાની પદ્ધતિઓ છે.

લૉક-ઇન થાઇરિસ્ટર માટે, સર્કિટનો ઉપયોગ સ્વિચિંગ પાથ બનાવવા માટે થાય છે, જે CFTT ટ્રાંઝિસ્ટરની જેમ સર્કિટમાં હોય છે.