Gesteuerte Gleichrichter - Gerät, Schemata, Funktionsprinzip
Gesteuerte Gleichrichter werden zur Regelung der Ausgangsspannung in gleichgerichteten Wechselstromkreisen eingesetzt. Zusammen mit anderen Methoden zur Steuerung der Ausgangsspannung nach dem Gleichrichter, wie z. B. LATR oder Rheostat, ermöglicht ein gesteuerter Gleichrichter eine höhere Effizienz bei hoher Schaltungszuverlässigkeit, was bei der Regelung mit LATR oder Rheostat-Regelung nicht der Fall ist.
Die Verwendung gesteuerter Ventile ist fortschrittlicher und weniger umständlich. Thyristoren eignen sich am besten für die Rolle gesteuerter Ventile.
Im Ausgangszustand ist der Thyristor gesperrt und hat zwei mögliche stabile Zustände: geschlossen und offen (leitend).Wenn die Quellenspannung höher ist als der untere Arbeitspunkt des Thyristors, geht der Thyristor beim Anlegen eines Stromimpulses an die Steuerelektrode in einen leitenden Zustand über und nachfolgende an die Steuerelektrode angelegte Impulse haben keinen Einfluss auf den Anodenstrom Das heißt, der Steuerkreis ist nur für das Öffnen des Thyristors verantwortlich, nicht jedoch für dessen Schließen. Es kann argumentiert werden, dass Thyristoren eine deutliche Leistungssteigerung aufweisen.
Um den Thyristor auszuschalten, ist es notwendig, seinen Anodenstrom so zu reduzieren, dass er unter den Haltestrom fällt, was durch Absenken der Versorgungsspannung oder Erhöhen des Lastwiderstands erreicht wird.
Thyristoren können im offenen Zustand Ströme von bis zu mehreren hundert Ampere leiten, gleichzeitig sind Thyristoren jedoch recht träge. Die Einschaltzeit des Thyristors beträgt 100 ns bis 10 μs und die Ausschaltzeit ist zehnmal länger – von 1 μs bis 100 μs.
Damit der Thyristor zuverlässig arbeitet, sollte die Anstiegsgeschwindigkeit der Anodenspannung je nach Bauteilmodell 10 – 500 V/μs nicht überschreiten, da es sonst durch die Wirkung des kapazitiven Stroms durch die pn-Übergänge zu Fehlschaltungen kommen kann .
Um Fehlschaltungen zu vermeiden, wird die Steuerelektrode des Thyristors immer mit einem Widerstand überbrückt, dessen Widerstandswert üblicherweise im Bereich von 51 bis 1500 Ohm liegt.
Neben Thyristoren werden auch andere zur Regelung der Ausgangsspannung in Gleichrichtern eingesetzt. Halbleiterbauelemente: Triacs, Dinistoren und Lock-in-Thyristoren. Dynistoren werden durch die an der Anode angelegte Spannung eingeschaltet und verfügen wie Dioden über zwei Elektroden.
Triacs zeichnen sich durch die Fähigkeit aus, Steuerimpulse zumindest relativ zur Anode, zumindest relativ zur Kathode, einzuschließen, aber alle diese Geräte, wie Thyristoren, werden ausgeschaltet, indem der Anodenstrom auf einen Wert unterhalb des Haltestroms reduziert wird. Sperrbare Thyristoren können durch Anlegen eines Stroms mit umgekehrter Polarität an die Steuerelektrode gesperrt werden, die Verstärkung beim Ausschalten ist jedoch zehnmal geringer als beim Einschalten.
Thyristoren, Triacs, Dinistoren, steuerbare Thyristoren – alle diese Geräte werden in Stromversorgungen und in Automatisierungsschaltungen zur Regelung und Stabilisierung von Spannung und Leistung sowie zu Schutzzwecken eingesetzt.
In gesteuerten Gleichrichterschaltungen werden in der Regel Thyristoren anstelle von Dioden eingesetzt. Bei einphasigen Brücken sind der Schaltpunkt der Diode und der Schaltpunkt des Thyristors unterschiedlich, es besteht eine Phasendifferenz zwischen ihnen, die sich durch die Betrachtung des Winkels widerspiegeln lässt.
Die Gleichstromkomponente der Lastspannung steht in nichtlinearem Zusammenhang mit diesem Winkel, da die Versorgungsspannung von Natur aus sinusförmig ist. Die Gleichstromkomponente der Lastspannung, die nach dem geregelten Gleichrichter angeschlossen ist, kann durch die Formel ermittelt werden:
Die Steuerkennlinie eines thyristorgesteuerten Gleichrichters zeigt die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Last von der Phase (vom Einschaltwinkel) der Brücke:
Bei einer induktiven Last hat der Strom durch die Thyristoren eine rechteckige Form, und bei einem Winkel größer als Null wird der Strom aufgrund der Wirkung der selbstinduzierten EMF aus der Induktivität der Last entnommen.
In diesem Fall wird die Grundharmonische des Netzstroms um einen bestimmten Winkel gegenüber der Spannung verschoben. Um die Klemmung aufzuheben, wird eine Nulldiode verwendet, durch die der Strom geschlossen werden kann und die einen Versatz von weniger als dem halben Brückenwinkel ergibt.
Um die Anzahl der Halbleiter zu reduzieren, greifen sie auf eine asymmetrische steuerbare Gleichrichterschaltung zurück, bei der ein Diodenpaar eine Neutraldiode ersetzt und das Ergebnis das gleiche ist.
Verstärkerschaltungen ermöglichen auch den Einsatz von Thyristoren. Mit solchen Systemen können Sie eine höhere Effizienz erzielen. Die Mindestspannung wird durch Dioden bereitgestellt, die erhöhte Spannung wird durch Thyristoren bereitgestellt. Bei größtem Verbrauch sind die Dioden ständig geschlossen und der Schaltwinkel des Thyristors beträgt immer 0. Der Nachteil der Schaltung ist die Notwendigkeit einer zusätzlichen Transformatorwicklung.