POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE Badanie tyrystora (E – 9) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ 3 1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych jednego z najważniejszych przyrządów półprzewodnikowych, znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce – tyrystora. Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umożliwia mierzącemu wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych ww. elementu. 2. Wprowadzenie Tyrystory, stosowane od końca lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, są najważniejszymi elementami półprzewodnikowymi szeroko stosowanymi w elektroenergetyce. Nazwa tyrystor wskazuje na analogię funkcjonalną tego elementu do tyratronu (przełącznikowej lampy gazowanej) i oznacza półprzewodnikowy element dwustanowy (przełącznikowy) o co najmniej trzech złączach. Element ten w kierunku przewodzenia pracuje w jednym z dwóch stanów: włączenia lub blokowania. Ze względu na liczbę elektrod (zacisków) rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje tyrystorów: o tyrystory diodowe – dwuzaciskowe, o tyrystory triodowe – trójzaciskowe. W grupie tyrystorów diodowych – tzw. dynistorów rozróżnia się struktury: · trójwarstwowe – tryger-diak (dynistor dwukierunkowy – symetryczny) [9], · czterowarstwowe – dioda Shockleya (dynistor jednokierunkowy), · pięciowarstwowe – diak (ang. DIAC – DIode for AC) (dynistor dwukierunkowy – symetryczny). W grupie tyrystorów triodowych – tzw. tyrystorów rozróżnia się struktury: · czterowarstwowe – tyrystory (jednokierunkowe), § tyrystor konwencjonalny SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier), § tyrystor przewodzący wstecznie RCT (ang. Reverse Conducting Thyristor), § tyrystor wyłączalny GTO (ang. Gate Turn-Off thyristor), 4 § tyrystor elektrostatyczny SITH (ang. Static Induction THyristor), § tyrystor sterowany napięciowo MCT (ang. MOS Controlled Thyristor), · pięciowarstwowe – triak (ang. TRIAC – TRIode for AC) (tyrystor dwukierunkowy – symetryczny). W grupie tyrystorów występują również elementy optoelektroniczne: · fototyrystor diodowy – LAS (ang. Light Activated Switch), · fototyrystor triodowy – LTT (ang. Light Triggered Thyristor). Wspólną cechą tyrystorów jest występowanie obszaru o ujemnej rezystancji dynamicznej na charakterystykach napięciowo-prądowych. Największe znaczenie praktyczne mają tyrystor triodowy i triak. 2.1. Tyrystor triodowy konwencjonalny SCR Tyrystor konwencjonalny SCR nazywany również półprzewodnikowym zaworem sterowanym (SCR – ang. Semiconductor Controlled Rectifier) lub po prostu tyrystorem jest krzemową strukturą czterowarstwową PNPN o trzech elektrodach. Elektrody noszą nazwy: anody – A, katody – K i bramki – G. Schematyczny przekrój tyrystora, budowę struktury jego złączy i symbol przedstawiono na rysunku 1.1. a) b) K – katoda G – bramka K G n p n p A – anoda c) N+ P j1 N P+ j3 G K j2 A A Rys. 1.1. Tyrystor: w przekroju (a), budowa struktury złączy (b) i symbol (c) Rodzinę podstawowych charakterystyk tyrystora, tj. zależność prądu anodowego IA od napięcia anoda-katoda UAK przy różnych wartościach prądu bramki IG przedstawia rysunek 1.2. 5 IA Stan włączenia Stan blokowania Prąd podtrzymania IG3 IG2 IG1 IG0 IH UAK UP3 Stan wyłączenia Napięcie przeskoku (zapłonu) przy IG > 0 UP2 UP1 UP0 Napięcie przeskoku (zapłonu) przy IG = 0 Rys. 1.2. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora IA = f(UAK) Na charakterystyce napięciowo-prądowej IA = f(UAK) można wyróżnić trzy zasadnicze stany pracy tyrystora: · stan wyłączenia (zaworowy), · stan blokowania, · stan włączenia (przewodzenia). Stan wyłączenia odpowiada polaryzacji zaporowej tyrystora („+” na katodzie, „-” na anodzie). W tym zakresie pracy dwa złącza zewnętrzne j1 i j3 (oznaczenia jak na rysunku 1.1.) są spolaryzowane w kierunku zaporowym, a złącze wewnętrzne j2 w kierunku przewodzenia. Przez tyrystor płynie znikomo mały prąd wsteczny złączy j1, j3. Stan blokowania odpowiada polaryzacji przewodzenia tyrystora („+”na anodzie, „-”na katodzie). Pomimo polaryzacji anoda-katoda w kierunku przewodzenia (złącza zewnętrzne j1, j3 pracują w kierunku przewodzenia) prąd przez tyrystor nie płynie, ponieważ złącze j2 jest spolaryzowane zaporowo blokując przepływ prądu. Dopiero odpowiednio duże napięcie U AK, oznaczone na rysunku przez UP0, powoduje przełączenie tyrystora w stan przewodzenia. Wartość napięcia przełączenia UP (UP0, UP1, UP2, UP3 itd.) można regulować prądem bramki IG (IG0, IG1, IG2, IG3 itd.). Napięcie UP (zależne od wartości natężenia prądu bramki), przy którym następuje przełączenia tyrystora w stan włączenia, nosi nazwę napięcia przeskoku lub zapłonu. Stan włączenia występuje również (co oczywiste) przy polaryzacji tyrystora w kierunku przewodzenia („+”na anodzie, „-”na katodzie). Złącza zewnętrzne j1, j3 pracują nadal w kierunku przewodzenia, a złącze j2 pracuje w stanie przebicia nieniszczącego (analogicznie do diody lawinowej), przez tyrystor płynie prąd 6 anodowy o dużej wartości (praktycznie zależny jedynie od impedancji obciążenia) [8]. Tyrystor pozostanie w stanie włączenia pomimo wyłączenia prądu bramki IG (nie ma możliwości wyłączenia tyrystora SCR prądem bramki nawet po zmianie polaryzacji). Powrót do stanu blokowania może nastąpić jedynie po zmniejszeniu prądu anodowego poniżej pewnej wartości, nazywanej prądem wyłączania lub podtrzymania IH. Wyznaczając współczynnik nachylenia liniowego odcinka charakterystyki napięciowo-prądowej w stanie włączenia można wyznaczyć rezystancję tyrystora w kierunku przewodzenia RZ. W podobny sposób wyznacza się rezystancję tyrystora w stanie blokowanie RB (przy prądzie bramki IG = 0) oraz rezystancję w stanie wyłączenia RW dla kierunku zaporowego. 3. Badania i pomiary 3.1. Określenie wielkości mierzonych Wielkościami mierzonymi są spadki napięć i prądy płynące przez tyrystor. Na podstawie danych pomiarowych wyznacza się charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora i bramki. Z analizy wykresów należy wyznaczyć podstawowe parametry pracy tyrystora: napięcie przeskoku (zapłonu), natężenie prądu podtrzymania, prąd i napięcie przełączające oraz rezystancję w różnych stanach pracy tyrystora. 3.2. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku przewodzenia 3.2.1. Schemat stanowiska Charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora w kierunku przewodzenia wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.3. A IG IA W1 V A UAK W2 V G K A UGK Zasilacz regulowany Zasilacz regulowany R Rys. 1.3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora w kierunku przewodzenia 7 Przedstawiony na rysunku 1.3. układ umożliwia również pomiar prądu podtrzymania IH oraz pomiar napięcia UGT i prądu IGT przełączającego bramki. Pomiaru napięcia UGT i prądu IGT dokonuje się przy określonym przez producenta napięciu anoda-katoda (przeważnie 6 V lub 12 V). 3.2.2. Przebieg ćwiczenia 1. Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanych tyrystorów. Zanotować wartości dopuszczalne: maksymalny średni prąd przewodzenia IAmax (IT(AV)M), szczytowe napięcie pracy w stanie blokowania UP0max (UDWM), szczytowe wsteczne napięcie pracy UWmax (URWM), szczytowy prąd przewodzenia bramki IGmax (IFGM), szczytowe napięcie przewodzenia bramki UGKmax (UFGM) oraz szczytową mocy strat bramki PGmax (PFGM). 2. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.3. 3. Wyznaczyć dla kilku prądów bramki IG odpowiadające im wartości napięć przeskoku (zapłonu) tyrystora UP. (Wartości natężeń prądu bramki IG poda prowadzący zajęcia). 4. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie włączenia dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0 (wyłącznik W2 otwarty – rys. 1.2), (Napięcia anoda-katoda UAK należy zmniejszać od wartości maksymalnej, podanej przez prowadzącego, do zera). 5. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.1. Tabela 1.1 Kierunek przewodzenia Lp. 1. 2. 3. 4. itd. UAK = …...…V Pomiar napięć przeskoku Stan włączenia (dla IG = 0) IG A UP V IA A UGT = …...V IGT = …….A IH = ……....A UAK V 6. Wyznaczyć wartość anodowego prądu potrzymania IH, napięcie przełączające bramki UGT oraz prąd przełączający bramki IGT. (Wartości UGT oraz IGT 8 wyznaczyć dla napięcia anoda-katoda UAK, które poda prowadzący zajęcia).Wyznaczone wartości zanotować w ostatnim wierszu tabeli 1.1. 3.3. Wyznaczenie charakterystyk: blokowania i bramkowej 3.3.1. Opis stanowiska Charakterystykę blokowania i charakterystykę bramkową wyznacza się w przedstawionym wcześniej układzie pomiarowym (rysunek 1.3.). Charakterystyka blokowania (w kierunku przewodzenia) wyznaczana jest dla prądu bramki równego zero IG = 0 (wyłącznik W2 otwarty, W1 zamknięty). Charakterystykę bramkową, czyli zależność IG = f(UGK), wyznacza się natomiast przy odłączonym obwodzie anodowym IA = 0 (wyłącznik W1 otwarty, W2 zamknięty). 3.3.2. Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie blokowania dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0. (Napięcia anodakatoda UAK należy zwiększać do wartości maksymalnej, przy której następuje przeskok). 2. Wyznaczyć charakterystykę bramkową tyrystora dokonując pomiarów natężenia prądu bramki IG w funkcji zmian napięcia bramka-katoda UGK przy odłączonym obwodzie anodowym IA = 0. (Napięcia bramka-katoda UGK należy zwiększać do wartości maksymalnej prądu przewodzenia bramki IGmax odczytanej z katalogu). 3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.2. Tabela 1.2 Kierunek przewodzenia Lp. 1. 2. 3. 4. 5. itd. Charakterystyka bramkowa IG A UGK V Stan blokowania (dla IG = 0) IA mA UAK V 9 3.4. Wyznaczenie charakterystyki w kierunku zaporowym 3.4.1. Schemat stanowiska Charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w kierunku zaporowym wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.4. Zasilacz regulowany R A IA K G UKA V A Rys. 1.4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora w kierunku zaporowym 3.4.2. Przebieg ćwiczenia 1. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.4. 2. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie wyłączenia (zaworowym) dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego I A w funkcji zmian napięcia katoda-anoda UKA dla prądu bramki IG = 0. (Napięcia anoda-katoda UKA należy zwiększać do wartości maksymalnej napięcia wstecznego tyrystora odczytanego z katalogu). 3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.3. Tabela 1.3 Kierunek zaporowy Lp. 1. 2. 3. 4. 5. itd. Stan wyłączenia (dla IG = 0) IA mA UKA V 10 4. Opracowanie wyników pomiarów 1. Wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w całym zakresie pracy, tzn. przy obu kierunkach polaryzacji i we wszystkich trzech stanach: wyłączenia, blokowania i włączenia. (Należy wykorzystać wyniki pomiarów zanotowanych we wszystkich tabelach z lewej strony oraz pomiary napięcia przeskoku). Na wykresie zaznaczyć wartości natężeń prądów i napięć charakterystycznych. 2. Wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową bramki (wyniki pomiarów zawarte są w tabeli 1.2.). Na charakterystyce nanieść zmierzone wartości napięcia przełączającego bramki UGT i prądu przełączającego bramki IGT. 3. Na podstawie charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora wyznaczyć: RZ – rezystancję tyrystora w stanie załączenia dla kierunku przewodzenia, RB – rezystancję tyrystora w stanie blokowanie, RW – rezystancję w stanie wyłączenia dla kierunku zaporowego. 4. Dokonać oszacowania niepewności pomiarów i błędów. 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać: 1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia). 2. Wymienione dane katalogowe badanych tyrystorów. 3. Schematy układów pomiarowych. 4. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk. 5. Wykresy wymienionych w punkcie 4. charakterystyk. 6. Określone w punkcie 4. rezystancje i wartości charakterystyczne prądów i napięć (prąd podtrzymania, napięcia przeskoku itp.). 7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów katalogowych, ewentualnych rozbieżności wyników dla różnych egzemplarzy elementów itp.).
