Badanie parametrów statycznych tyrystora - wprowadzenie

ĆWICZENIE 10
BADANIE PARAMETRÓW STATYCZNYCH TYRYSTORA
10.1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości sterowanych elementów półprzewodnikowych, wykorzystujących struktury p - n - p - n, głównie tyrystorów. Zadaniem ćwiczenia jest także
poznanie podstawowych metod badania tych elementów, jak również sposobów ich sterowania.
10.2. WPROWADZENIE
Tyrystory tworzą grupę sterowanych elementów półprzewodnikowych, których wspólną
cechą jest dwustanowość charakterystyki prądowo-napięciowej, tzn. elementy te mogą znajdować
się w stanie zaporowym lub w stanie przewodzenia.
Wprowadzenie tyrystorów do eksploatacji spowodowało, że stały się one jednymi z ważniejszych części składowych nowoczesnych urządzeń sterowania i regulacji.
Tyrystor utorował drogę elektronice do techniki energetycznej zastępując takie urządzenia
jak tyratrony i ignitrony. Z powodzeniem spełnia funkcje, które do tej pory były domeną dławików
nasyconych i wzmacniaczy magnetycznych, nie ustępuje im trwałością, a w przypadku tyratronów
i ignitronów znacznie je przewyższa. Jednocześnie tyrystor odznacza się bardzo dużą sprawnością
energetyczną.
Tyrystor jest elementem o strukturze czterowarstwowej p - n - p - n (Rys.10.1).
Cztery warstwy tworzą trzy złącza J1 ,J2, J3. Tyrystor zawiera trzy elektrody :
A - anodę, K - katodę, G - bramkę (elektroda sterująca). Po przyłączeniu do tyrystora napięcia
wstecznego (katoda „+”, anoda „-”), środkowe złącze J2 będzie spolaryzowane przepustowo, a
dwa złącza zewnętrzne J1 i J2 w kierunku wstecznym, co praktycznie umożliwi przepływ prądu.
Po przyłączeniu do tyrystora napięcia o biegunowości - anoda „+”, katoda „-”, zewnętrzne złącza
J1 i J3 będą spolaryzowane przepustowo, a środkowe w kierunku wstecznym, co wyrazi się stanem
blokowania tyrystora.
Przy dodatniej polaryzacji anody względem katody charakterystyka prądowonapięciowa tyrystora ilustruje trzy stany pracy (Rys.10.2).
Stan blokowania określają współrzędne punktu szczytowego UBo, IBo (bez prądu bramki) odpowiadające przełączaniu tyrystora, tj. napięcie przełączania i prąd przełączania. Współrzędne te
zależą od prądu bramki, nieznacznie zaś od temperatury. Podstawowym parametrem katalogowym granicznym dla stanu blokowania jest największe robocze,
Rys.10.1.Tyrystor: a) symbol graficzny, b) czterowarstwowa struktura tyrystora, c) reprezentacja
tranzystorowa czterowarstwowej struktury tyrystora
1
Rys.10.2. Charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora z prądem bramki
I - stan blokowania
II - stan przełączania
III - stan przewodzenia
szczytowe napięcie blokowania UDWM, przy czym rozróżnia się jego wartość powtarzalną UDRM
oraz niepowtarzalną UDSM, przy czym są one mniejsze od UBo.
Stan przełączania - jest stanem niestabilnym i zachodzi wówczas, gdy do bramki tyrystora
zostanie doprowadzony impuls prądowy. Zachodzi wówczas przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia.
Stan przewodzenia charakteryzują graniczne parametry prądowe, przy czym podstawowym
parametrem jest graniczny prąd przewodzenia ITM. Rozróżnia się jego wartość średnią i skuteczną,
jak również jego wartość szczytową ITRM. Za niepowtarzalną wartość prądu głównego uznaje się
największy zakłóceniowy prąd przeciążeniowy (udarowy) ITSM, jaki może przepłynąć przez tyrystor w określonym krótkim odcinku czasu.
Przy ujemnej polaryzacji anody względem katody (obszar IV na Rys.10.2) mamy stan pracy zwany stanem zaporowym lub nieprzewodzenia.
W tym stanie pracy, przez tyrystor płynie niewielki prąd wsteczny pod warunkiem nie przekroczenia największego szczytowego napięcia wstecznego URWM. Rozróżniamy jego wartość powtarzalną URRM i niepowtarzalną URSM.
Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, jest zwykle wywołane, jak już wspomniano uprzednio, doprowadzeniem do bramki dodatniego impulsu. Z
tego względu jedną z najistotniejszych charakterystyk tyrystora jest charakterystyka napięciowoprądowa obwodu bramki, nazywana też charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania).
Ze względu na duży rozrzut charakterystyk bramkowych wywołany procesem technologicznym (szczególnie przy produkcji metodą dyfuzyjno-stopową), podaje się dwie krzywe graniczne, pomiędzy którymi powinna leżeć charakterystyka wybranego egzemplarza danego typu.
2
Rys.10.3. Obszar pracy obwodu bramki
Na Rys.10.3 pokazano obszar pracy obwodu bramki. Wyodrębnić tam można :
A - obszar niemożliwych przełączeń tyrystora, czyli obszar zawierający takie
wartości napięć i prądów bramkowych, które nie spowodują przełączenia
żadnego egzemplarza tyrystora danego typu. Napięcie ograniczające ten
obszar UGD nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I GD
prądem nieprzełączającym bramki.
B - obszar możliwych przełączeń (niepewne wyzwalanie), w którym można
uzyskać przełączenia wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego
typu. Obszar ten jest ograniczony : napięciem przełączającym bramki UGT
i prądem przełączającym bramki IGT.
C - obszar pewnych przełączeń tyrystorów, który wyznacza wartość napięć
i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania
do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu.
Wartość napięcia i prądu bramki podczas przełączania należy dobierać tak,
aby punkt pracy leżał w tym obszarze i nie zostały przekroczone :
maksymalne dopuszczalne napięcie bramki UFGM i maksymalny dopuszczalny prąd bramki
IFGM.
Krzywa PFGM oznacza największą szczytową moc przewodzenia bramki, przekroczenie
której może spowodować uszkodzenie obwodu bramkowego tyrystora.
Proces odwrotny - wyłączania tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub zaporowy, w zakresie normalnie występujących prądów przewodzenia, odbywa się
przez zmianę kierunku napięcia anoda-katoda.
10.3. BADANIA
Badania będą miały na celu wyznaczenie podstawowych charakterystyk i parametrów tyrystora. Zaleca się przeprowadzenie ćwiczenia przy użyciu tyrystorów małej lub średniej mocy, o
niezbyt dużych wartościach prądów i napięć (np. tyrystory produkcji polskiej typu BTP2 ...
BTP10).
10.3.1. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej
Celem pomiaru jest wyznaczenie charakterystyki w stanie blokowania
ID = f ( UD ) oraz w stanie wstecznym IR = f ( UR ). W układzie pomiarowym na Rys.3.4 tyrystor
(BTP - 10) ze względu na niewielką moc badany jest prądem stałym.
Regulacja napięcia zarówno dla stanu blokowania jak i wstecznego przeprowadzamy przy
pomocy autotransformatora. Kierunek przyłożonego napięcia zmieniamy przy pomocy przełącznika P.
3
Rys.10.4. Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki prądowo-napięciowej
tyrystora w stanie blokowania i wstecznym
Charakterystykę w stanie blokowania i wstecznym można wyznaczyć przy różnych wartościach prądu bramki IG. Z reguły producenci podają ją dla prądu bramki IG = 0.
Przy pomiarze należy zwrócić uwagę, aby spadek napięcia na tyrystorze nie przekraczał
wartości szczytowych napięć powtarzalnych w kierunku blokowania UDRM i wstecznym URRM,
podanych w katalogu przez producenta.
Kondensator C w układzie spełnia wspólnie z rezystorem R rolę filtru prostowniczego.
Jednocześnie rezystor ten musi mieć znacznie większą rezystancję od rezystancji tyrystora w stanie przewodzenia. Zapobiega to zniekształceniom prądu płynącego przez tyrystor.
Pomiar przeprowadza się w następujący sposób. Tyrystor należy włączyć jak na Rys.10.4 i
dla kierunku blokowania przełącznik P ustawić w poz. 1. Następnie zwiększamy napięcie wejściowe przy pomocy autotransformatora i odczytujemy wskazania miliamperomierza i woltomierza. Pomiary należy przeprowadzić możliwie szybko ze względu na straty mocy pochodzące z
prądu upływu.
Charakterystykę w kierunku wstecznym zdejmujemy identycznie zmieniając tylko polaryzację napięcia zasilającego tyrystor (przełącznik P w poz.2).
10.3.2. Pomiar prądu przewodzenia
Celem tego pomiaru jest wyznaczenia charakterystyki IT = f ( UT ) po załączeniu tyrystora
impulsem prądu podanym na jego bramkę. W tym celu należy zestawić układ pomiarowy wg.
Rys.10.5.
Rys.10.5.Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki tyrystora w kierunku
przewodzenia
Po włączeniu napięcia zasilającego zamyka obwód bramkowy kluczem K. Wytworzy się
wówczas impuls napięcia bramkowego UG przez układ różniczkujący CR1. Rezystor R2 włączony
pomiędzy bramkę i katodę spełnia rolę upływu zewnętrznego w celu wyeliminowania szkodliwego wpływu efektu stromości napięciowej (efekt stromości napięciowej polega na możliwości wy4
stąpienia przypadkowych niekontrolowanych przełączeń tyrystora przy zbyt dużej stromości narastania napięcia blokowania). Po podłączeniu układu do zasilacza i zamknięciu obwodu wyłącznikiem nastąpi załączenie tyrystora w kierunku przewodzenia. Z kolei obniżamy wartość prądu aż
do wyłączenia tyrystora odczytując każdorazowo wyniki z amperomierza i woltomierza.
10.3.3. Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej bramki
Charakterystykę prądowo-napięciową bramki IFG = f (UFG) wyznacza się przy odłączonym
obwodzie anodowym (Rys.10.6).
Rys.10.6. Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki bramkowej.
Czynności sprowadzają się do nastawienia określonej wartości napięcia bramka-katoda i
pomiarze wartości płynącego prądu. Otrzymana charakterystyka winna być charakterystyką złącza
p - n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. W czasie pomiarów należy zwracać uwagę, aby
nie przekroczyć maksymalnej mocy bramki PFGmax.
10.3.4. Pomiar prądu przełączającego bramki IGT i napięcia przełączającego bramki UGT.
Parametry wyzwalania bramkowego, a mianowicie prąd załączający IGT i napięcie załączające UGT mierzymy w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono na Rys.10.7.
Pomiarów dokonuje się przy określonym napięciu anoda -katoda, podawanym przez producenta tyrystorów, zwykle 6 - 12V. Po nastawieniu wymaganej wartości napięcia anoda-katoda,
zwiększa się przy pomocy rezystora R3 napięcie bramki począwszy od 0V i obserwuje wskazania
woltomierza V1 do chwili, gdy napięcie między anodą i katodą obniży się gwałtownie ( V2 ).
Chwila ta odpowiada przejściu tyrystora ze stanu blokowania w stan przewodzenia. Wartość prądu i napięcia w obwodzie bramki odczytane w chwili wyzwolenia tyrystora stanowią odpowiednio
- prąd przełączający bramki IGT i napięcie przełączające bramki UGT w danej temperaturze.
Rezystor R1 na schemacie ogranicza prąd anodowy tyrystora, natomiast dioda D zabezpiecza obwód bramkowy przed przypadkowymi ujemnymi napięciami.
Rys.10.7. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prądu i napięcia przełączania
5
10.3.5. Pomiar prądu podtrzymania IH
Pomiar prądu podtrzymania IH przeprowadza się w układzie przedstawionym na Rys.10.8.
po włączeniu zasilania należy wcisnąć przycisk Z i do bramki doprowadzić napięcie UGT i
prąd IGT o takiej wartości, aby tyrystor został załączony (miliamperomierz wskaże przepływ prądu).
Następnie rozwieramy obwód bramki i stopniowo zmniejszamy wartość prądu anodowego przez
zmniejszenie napięcia anoda-katoda UAK do chwili, gdy tyrystor przejdzie z powrotem w stan blokowania. Objawi się to gwałtownym zmniejszeniem prądu IA. Wartość prądu w chwili poprzedzającej wyłączenie tyrystora jest prądem podtrzymania IH, czyli najmniejszą wartością prądu anodowego niezbędną do utrzymania tyrystora w stanie przewodzenia.
Rys.10.8. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prądu podtrzymania tyrystora
Rezystor R1 w układzie ogranicza wartość prądu IA, układ R2C wytwarza impuls prądu
bramkowego IG, natomiast rezystor R3 włączony jest pomiędzy bramkę i katodę zgodnie z zaleceniami producenta, aby zapobiec zmianom parametrów charakterystycznych tyrystora.
6