перехода через нуль анодного напряжения, приложенного к тиристору без его переключения. Лучшие современные тиристоры малой мощности имеют время включения 1-2 мкс н время выключения 2-5 мкс. Время включения мощных приборов колеблется в пределах от нескольких единиц микросекунд до 10-20 мкс, а время выключения - от 10-15 до 30-50 мкс (у тиристоров, предназначенных для работы в диапазоне промышленных частот, до сотен микросекунд). Однако современные достижения в области технологии производства полупроводниковых приборов позволяют надеяться, что в ближайшее время эти параметры тиристоров будут улучшены. Допустимая скорость нарастания прямого тока и напряжения у современных тиристоров достигает соответственно 1000 А/мкс и 1000 В/мкс.

Для отпирания тиристора на его управляющий электрод необходимо подавать сигнал определенной полярности и значения. Причем сигнал ограничивается рядом требований. К основным из них относятся значения отпирающего тока /у и отпирающего напряжения Uy управляющего электрода. Отпирающий ток управляющего электрода - наименьший ток управляющего электрода, требуемый для переключения тиристора из закрытого состояния в открытое. Отпирающее напряжение на управляющем электроде- напряжение управления, требуемое для получения отпирающего тока. В случае включения тиристора импульсным сигналом (что чаще всего бывает на практике) необходимо знать его длительность. Значения /у и Uy колеблются соответственно в пределах единиц ампер или вольт, а длительность импульсов - в пределах от единиц до десятков микросекунд.

На управление тиристоров расходуется малая мощность, что позволяет получать весьма большие коэффициенты усиления по мощности тиристорных устройств (порядка сотен или даже тысяч единиц). Кроме того, импульсный характер сигнала управления дает возможность использовать в качестве управляющих устройств различные логические схемы и апериодические усилители импульсных сигналов, надежные, простые и работающие, как правило, без перестройки в широком диапазоне частот.

Тиристоры обладают всеми преимуществами полупроводниковых приборов в отношении устойчивости к механическим воздействиям. Использование кремния в качестве материала для изготовления тиристоров позволило достигнуть широкого диапазона рабочих температур (от минус 50-60 до плюс 100-150 °С).

1-2. Области применения и типы тиристорных генераторов

Указанные в предыдущем параграфе достоинства тиристоров способствуют широкому применению их в различных областях техники.

Тиристоры применяются в схемах регулируемых выпрямителей и преобразователей постоянного тока в токи промышленной и более высоких частот, используемых при частотном регулировании асинхронных двигателей, для генераторов индукционного нагрева, плавки, закалки металлов и сушки различных материалов, в схемах стабилизации частоты при переменной частоте вращения первичных генераторов (например, на судах и самолетах), для создания источников напряжения автономной сети повышенной частоты, питания переменным током автономных потребителей с повышенной надежностью электроснабжения и др. Мощности подобных преобразователей лежат в пределах от сотен ватт до сотен киловатт при промышленном КПД 85-95 %, а частоты - от десятков герц до нескольких килогерц (для генераторов индукционного нагрева частоты достигают иногда 10-20 кГц) [381.

Преобразователи на тиристорах превосходят по своим технико-экономическим показателям преобразователи на ионных и электронных приборах и ламповые генераторы, используемые для получения промышленных частот. Габариты тиристорных преобразователей в 2-3 раза меньше габаритов преббразователей на тиратронах и ламповых генераторов, что объясняется малыми габаритами самих тиристоров, отсутствием накала, низким напряжением источников питания, малой мощностью управляющих устройств и т. п. Стоимость тиристорных преобразователей ниже стоимости преобразователей других типов, а возможность выполнения их полностью на полупроводниковых приборах позволяет повысить надежность, что особенно важно в случае работы преобразователей в системах без обслуживающего персонала. Отсутствие накала обеспечивает мгновенную готовность тиристорных преобразователей к работе и повышает экономичность устройств.

Имеются также сведения об использовании тиристорных передатчиков в системах гидроакустики, связи и навигации, работающих на частотах до 300 кГц (до этого в указанных передатчиках большой мощности применялись в выходных каскадах только электронные лампы). Так, например, фирмой «Вестингауз электрик» изготовлен передатчик на частоты 10-90 кГц [12, 44]. Максимальная мощность передатчика, равная 150 кВт, обеспечивается на частотах 10-30 кГц. G повышением частоты она понижается и на частоте 90 кГц составляет 10 кВт. Коэффициент усиления по мощности оконечного каскада передатчика равен 67 дБ. В передатчике используется 96 тиристоров, и занимаемый им объем составляет 2,8 м, что приблизительно в десять раз меньше объема, занимаемого аналогичным передатчиком на электронных лампах. Промышленный КПД передатчика достигает 86 %. В работе [261 указано, что изготовлен тиристорный передатчик СДВ-диапазона на мощность 1 МВт.

Применяемые в преобразователях и передатчиках тиристорные устройства могут быть разбиты на четыре основные группы: однотактные тиристорные генераторы, двухтактные генераторы (инверторы), многотактные генераторы незатухающих колебаний повышенной частоты и усилители.

В первую группу включены генераторы, предназначенные для получения как затухающих, так и незатухающих колебаний в кои-

туре нагрузки, причем контур нагрузки, используемый обычно в схемах таких генераторов, возбуждается одним тиристором (если в генераторе есть другие тиристоры и диоды, то они играют вспомогательную роль). Режим работы генератора при генерировании затухающих колебаний аналогичен режиму ударного возбуждения колебательного контура (или контуров) импульсом тока, а при генерировании незатухающих колебаний - режиму работы одно-тактного лампового (транзисторного) генератора. Энергия при незатухающих колебаниях поступает в контур нагрузки один раз за период колебаний высокой частоты. Время, когда на аноде тиристора сохраняется отрицательное напряжение (схемное время выключения), у генераторов незатухающих колебаний меньше половины периода генерируемой частоты.

В двухтактных генераторах (инверторах) передача энергии в нагрузку осуществляется двумя или большим числом тиристоров, а режим работы их похож на режим работы двухтактных ламповых (транзисторных) генераторов. Схемное время выключения у них, так же как и в предыдущем случае, не превосходит половины периода генерируембй частоты.

Основным фактором, ограничивающим частоту генерируемых колебаний в однотактных генераторах незатухающих колебаний и инверторах, является недостаточное схемное время выключения. Для увеличения его могут быть использованы многотактные генераторы незатухающих колебаний. Одна из схем таких генераторов приведена на рис. 5-10 (подробное описание см. в § 5-4). В этих генераторах используются два или большее число тиристоров, режим работы каждого из которых аналогичен режиму работы лампы (транзистора) в умножителе частоты, т. е. импульс тока протекает через каждый тиристор один раз за несколько периодов высокочастотных колебаний. После окончания прохождения импульса тока на аноде тиристора сохраняется отрицательное напряжение в течение длительного времени, обычно большего половины периода генерируемых колебаний. Значение этого времени зависит от числа тиристоров в генераторе и частоты поступления энергии в контур нагрузки, которая, е свою очередь, определяется добротностью контура и допустимой неравномерностью колебаний в нем. На практике это время достигает нескольких периодов колебаний высокой частоты.

Если два тиристора не обеспечивают получение незатухающих колебаний в контуре нагрузки (амплитуда колебаний сильно изменяется в паузе между двумя соседними импульсами тока тиристоров), то число их увеличивают. При этом частота следования импульсов тока через каждый тиристор сохраняется, а частота поступления энергии в контур нагрузки возрастает.

Тиристорные усилители предназначены для усиления сигналов произвольной формы, частотный спектр которых обычно лежит в диапазоне звуковых частот, и могут быть использованы в качестве модуляторов или регуляторов напряжения.

1-3. Критерии оценки проектируемых устройств

Для сравнения различных схем генераторов, а также для выбора оптимальных режимов работы каждой из них целесообразно ввести ряд критериев, позволяющих оценить достоинства указанных схем и режимов. Ряд таких критериев предлагается в различных работах, например [51.

Критерии оценки могут быть разбитына две группы. К первой группе относятся критерии, которые являются универсальными для выбора схемы или режима работы тиристорных устройств любого типа; ко второй - критерии, пригодные не для всех схем и режимов работы, а только для ограниченного числа случаев использования тиристорных устройств со специфическими требованиями.

В первую группу входят критерии, позволяющие оценить использование тиристоров по мощности и частоте, КПД схемы, крутизне нарастания тока и напряжения тиристоров; во вторую - критерии, оценивающие влияние изменения нагрузки и генерируемой частоты на режим работы схемы, и коэффициент гармоник выходного напряжения. Ниже рассмотрены обе группы указанных критериев.

1. Для оценки энергетического использования тиристоров в схемах генераторов и усилителей можно ввести критерий, позволяющий определить относительные значения полезной мощности, отдаваемой тиристором во внешнюю цепь (нагрузку), считая ограничивающими факторами заданные допустимые значения /атд и

t/а.д тиристоров.

в качестве эталонной принимается полезная мощность, теоретически предельно достижимая с помощью тиристора при заданных значениях /тд и (/а. д. Она получается при прямоугольных формах напряжения и тока и скважности импульсов тока q, равной двум (рис. 1-1). Последнее утверждение не очевидно, но может быть легко доказано.

Мощность отдаваемая тиристором во внешнюю цепь, равная раз-

ности мощности Ра, отдаваемой источником питания Е, и мощности потерь иа аноде тиристора Р, легко может быть определена с помощью выражения

(1-1)

атЛ/-ат!Лтди/7.

где /и - длительность импульса тока через тиристор; Т - период генерируемых колебаний; (/amin - минимальное остаточное напряжение на аноде тиристора в открытом состоянии; его можно считать равным Д(/кл- Здесь предполагается, что напряжение на тиристоре при его включении падает до минимального практически мгновенно по сравнению с длительностью импульса тока тиристора, т. е. не учитывается время включения. Это справедливо при работе в диапазоне частот, не превышающем для современных тиристоров 40-50 кГц.

Будем исходить из того, что в цепи нагрузки мощность постоянной составляющей тока отсутствует, что практически справедливо для большинства рассматриваемых схем; тогда среднее значение анодного напряжения за период (/а. ср равно напряжению источника анодного питания Е. С другой стороны, нетрудно представить, что

(/а. CP - Яо - [(/а тШи + Уа. д (Г - „)]/Г. (1-2)

Если в выражение (1-1) подставить значение Е из выражения (1-2) н определить максимум Р„ в зависимости от (для этого следует дифференци-

ровать Р по /и и положить полученную производную равной нулю), то будем иметь = Т/2, т. е. q = 2. Среднее значение тока через тиристор /а о в этом случае равно Iamj\l2. Поскольку величина (/а min для тиристоров на несколько порядков меньше (/а. д, то, полагая в пределе Ua min= О, получим

Считая электронный КПД в эталонном режиме практически равным единице (щ = 1), в качестве эталонной мощности можно принять мощность при q = 2:

Мощность, отдаваемая тиристором в любом другом заданном режиме при работе в генераторе или усилителе, равна (здесь также предполагается,

что Т1э = 1)

"атд

(1-4)

йтп О

Рис. 1-1. Формы напряжения и тока

В формуле (1-4) отношения EJUa.p, и /ао/атд зависят от формы анодного напряжения и тока тиристора, т. е. являются параметрами режима работы. Они определяются соотношениями параметров схемы генератора, но не зависят от напряжения источника питания или полезной мощности в нагрузке.

За коэффициент, характеризующий использование тиристора по мощности, можно принять величину

и а. pjлтр,

(1-5)

Значение не превосходит единицы, так как предельная эталонная мощность получается, как указывалось ранее, при условии f/а.д = Sfoi /атд = 2/ао. Этот коэффицибнт характеризует, по существу, влияние форм тока и напряжения на мощность, получаемую от генератора; причем, чем больше значение k, тем больше указанная мощность. Таким образом, коэффициент позволяет оценить схему устройства или режим его работы с точки зрения использования тиристоров по мощности.

2. Возможности использования тиристорных генераторов для получения звуковых и ультразвуковых частот определяются выбо-

ром схемы устройства и ее режима работы, а также частотными (динамическими) свойствами самих тиристоров. Частотные свойства тиристоров, в свою очередь, определяются номинальным временем выключения в.ном- Введение частотного критерия необходимо для установления связи между частотными свойствами тиристоров, генерируемой частотой, выбором схемы устройства и его режима работы.

Время в. в течение которого на анодах тиристоров той или иной схемы сохраняется отрицательное напряжение и происходит процесс выключения (схемное время выключения), должно быть не меньше номинального времени выключения . Поэтому, если известно отношение tUT, где Т - период генерируемой частоты, то, полагая (в = <в. ном. нетрудно определить предельную частоту f = иТ, которая может быть получена для данного случая. Таким образом, удобно в качестве частотного критерия выбрать отношение

кв = ит. (1-6)

В схемах с умножением частоты, как будет показано далее, время выключения определяется формулой

+ в. (1-7)

где Т - период генерируемой частоты; - длительность импульса тока через тиристор; п, = f - коэффициент умножения частоты, равный отношению генерируемой частоты / к частоте следования импульсов тока через тиристор F\ ts - добавка к времени выключения, зависящая от обратного напряжения на тиристоре.

Абсолютное значение is, как правило, существенно меньше Т/2 и уменьшается при уменьшении обратного напряжения на тиристоре (в частности, = О при нулевом обратном напряжении). Даже при малых коэффициентах умножения частоты п, добавка <в составляет малую часть всего значения (в (не более 10-15 %), причем с ростом п, процентное соотношение между <в и ts уменьшается. Поэтому величиной 1в в (1-7) можно пренебречь, и тогда получим

(1-8)

Выражение для частотного критерия у схем с умножением частоты имеет

Ьв~1в1Т-Пч/2-1п/Т.

Для исчерпывающей характеристики режима работы устройства кроме в необходимо знать схемное время выключения в течение переходного процесса при включении устройства. Оно может быть меньше времени в для установившегося режима и вызвать нарушение устойчивости работы схемы. Обычно при анализе устройств в рассмотрение вводят величину вт1п/в. где в mm - минимальное время выключения с учетом переходного процесса. Тогда произведение кв «позволяет определить частоту / ==

to Т

~ 1/Т, которая может быть получена, если приравнять /„ величине в. ном-