Uploaded by tofik1024

Tyrystor

advertisement
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.).
Download
Random flashcards
bvbzbx

2 Cards oauth2_google_e1804830-50f6-410f-8885-745c7a100970

Prace Magisterskie

2 Cards Pisanie PRAC

Create flashcards