Cel doświadczenia:

Poznanie podstawowych właściwości i zastosowań tyrystora jako łącznika i sterownika mocy oraz urządzenia wykonawczego regulatora dwupołożeniowego. Sterowanie oświetleniem, ogrzewaniem, prędkością obrotową silnika. Pomiary prędkości obrotowej.

Schemat do badań właściwości tyrystora:

Czynności:

1. Charakterystyka statyczna tyrystora. Podłączenie zasilacza napięcia stałego (zwarte gniazda W i X). Woltomierz włączyć na pomiar napięcia zasilania U_{z (}zwarte gniazda S i U) Włączamy żarówkę (zwarte gniazda P i R). Bramkę tyrystora włączymy w obwód zasilania napięciem stałym (zwarte gniazda B i L) Pokrętło P₁ nastawiania prądu bramki I_B przekręcamy w lewo do oporu. Włączamy zasilanie układu wyłącznikiem W₁ - zaświeci się lampka sygnalizacyjna, żarówka Ż nie zaświeci się. Suwakiem autotransformatora nastawić wartość napięcia U_z = 15 V.

2. Charakterystyka bramkowo - anodowa tyrystora. Badamy zależność prądu przewodzenia tyrystora I_F od prądu bramki I_B i napięcia bramki U_B. W tym celu należy bardzo wolno podwyższać wartość prądu I_B od 5 mA co 0,5 mA, notując w tabelce wartości U_B i I_F. Zaznaczyć moment załączenia się tyrystora (zaświecenie się żarówki Ż) Pomiary kontynuujemy aż do I_B = max. Następnie, w dalszym ciągu notując mierzone wielkości, obniżać prąd bramki tyrystora kolejno o 0,5 mA aż do I_B = 5 mA. Zwrócić uwagę, że po załączeniu tyrystora, obniżenie wartości prądu bramki nie powoduje jego wyłączenia. Tylko przerwanie obwodu anodowego, powodującego zanik napięcia U_Z i spadek prądu I_F wywołuje wyłączenie tyrystora. Wykonujemy doświadczenie z wyłączeniem tyrystora przez chwilowe rozwarcie gniazd W i X.

3. Wzmocnienie tyrystora. Przy włączonym tyrystorze (I_F = 0, gniazda B i L zwarte. I_B = 5 mA, Uz = 15 V), powoli podwyższać wartość prądu bramki I_B, aż do momentu osiągnięcia I_BT (zaświecenie się żarówki Ż). Wtedy zapisać wartości I_B = I_BT i U_B = U_Z. Po zwarciu gniazd S i T odczytać wartość spadku napięcia na żarówce U_O.

4. Tyrystor jako łącznik prądu przemiennego. Prąd bramki zmniejszamy do 5 mA. Obwód anoda - katoda zasilamy napięciem przemiennym z transformatora T_R1 przez zwarcie gniazd W i Z. Woltomierz przełączyć na pomiar napięcia zasilania U_Z (zwarte gniazda S i U) Suwakiem autotransformatora nastawiamy wartość napięcia U_Z = 10 V. Podwyższając i obniżając wartość prądu bramki I_B obserwować moment załączania tyrystora i świecenie się żarówki Ż przy I_B ≥ I_BT oraz jego wyłączania przy I_B < I_BT. Do gniazda B i N podłączamy fotorezystor. Kierując fotorezystora okno lub lampę oświetleniową i przysłaniając go dłonią można obserwować załączanie i wyłączanie żarówki w obwodzie anodowym tyrystora . Włączając w obwód anodowy tyrystora zamiast żarówki silnik elektryczny (zwarte gniazda P i Q), otrzymamy fotoelektryczny, bezstykowy układ uruchamiania tego silnika. Wykonać doświadczenie z włączaniem i wyłączaniem silnika przez zmianę oświetlenia fotorezystora. Odłączamy fotorezystor.

5. Dwupołożeniowy regulator temperatury. Włączyć żarówkę Ż (zwarte gniazda P i R). Napięcie U_Z nadal 10 V prądu przemiennego. Włączyć zasilanie regulatora temperatury wyłącznikiem W₂. Bramkę tyrystora połączyć z wyjściem regulatora temperatury R_T przez zwarcie gniazd B i H. Termistorowy czujnik temperatury, podłączony do wejścia regulatora, jest umieszczony w uchwycie nad żarówką w ten sposób, że jego element pomiarowy dotyka bańki żarówki. Włączona żarówka podwyższa temperaturę t_y termistora.

6. Właściwości dynamiczne układu regulacji dwupołożeniowej. Czekając na ustabilizowanie się pracy regulatora obserwować jego działanie. Wartość zmierzonej temperatury t_y można odczytywać z miernika. Unikać zakłócającego (odchładzającego) przepływu powietrza w pobliżu żarówki. Po 5 minutach, obserwując wskazania miernika t_y, określić maksymalną amplitudę wahań temperatury Δ_{ty max} z dokładnością 0,1 ^oC.

7. Wpływ dodatkowego oporu cieplnego. Unosząc nieco czujnik termistorowy, wsunąć między termistor, a bańkę żarówki niewielki kawałek papieru zeszytowego. Odczekać 5 min na ustabilizowanie się pracy regulatora i ponownie określić maksymalna amplitudę wahań temperatury Δ_{ty max} . Pomiary powtórzyć, po wstawieniu między termistor a bańkę żarówki dwóch, trzech, czterech, pięciu i sześciu warstw kawałków papieru zeszytowego. Po wykonaniu pomiarów wyłączyć zasilanie regulatora wyłącznikiem W₂ oraz rozłączyć gniazda B i H.

8. Półokresowy sterownik mocy. Sterowanie oświetleniem. Bramkę tyrystora należy połączyć z przesuwnikiem fazowym (zwarte gniazda B i O). Pokrętło P₂ przekręcić w lewo do oporu. U_Z = 10 V napięcia przemiennego. W obwód anodowy tyrystora powinna być włączona żarówka (zwarte gniazda P i R). Obracają pokrętłem nastawiania kąta załączenia tyrystora P₂, obserwować płynna zmianę natężenia świecenia żarówki. Włączyć wyłącznikiem W₃ oscyloskop. Zmieniając intensywność świecenia żarówki obserwować na jego ekranie przebieg napięcia przewodzenia tyrystora. Przerysować z ekranu oscyloskopu przebiegi prądu przewodzenia tyrystora dla I_F = max, I_F = 75 % I_Fmax, I_F = 50% I_Fmax I_F = 25% I_Fmax. Wyłączyć oscyloskop wyłącznikiem W₃ .

9. Sterowanie prędkością obrotową silnika. Włączyć w obwód anodowy tyrystora silnik elektryczny (zwarcie gniazd P i Q). Obracając pokrętłem nastawiania kąta załączenia tyrystora obserwować zmiany prędkości obrotowej silnika.

10. Pomiary prędkości obrotowej silnika. Włączamy zasilanie tachometru wyłącznikiem W₂. Zwrócić uwagę na umocowaną do wału silnika, oświetloną neonówką tarczę stroboskopową oraz na umieszczony nad tarczą indukcyjny czujnik bezdotykowego tachometru elektronicznego. Przy zatrzymanym silniku policzyć liczbę czarnych pól N na zewnętrznym, środkowym i wewnętrznym pierścieniu tarczy stroboskopowej. Bardzo wolno obracając pokrętło P₂ uruchomić silnik i doprowadzić do pozornego zatrzymania się czarnych pól na zewnętrznym pierścieniu tarczy. Tarcze stroboskopu obserwować prostopadle z lewej strony. Zanotować wskazania tachometru elektronicznego. Powtórzyć pomiary przy pozornym zatrzymaniu się pól kolejno na środkowym i wewnętrznym pierścieniu tarczy stroboskopowej.

11. Zakończenie zadania. Wyłączyć zasilanie tachometru wyłącznikiem W₂. Wyłączyć zasilanie całego układu pomiarowego wyłącznikiem W_1.

Wyniki:

• Charakterystyka bramkowo-anodowa tyrystora:

Rosnąca wartość I_B:

IB	UB [V]	IF [A]
5	0,525	0,01
5,5	0,575	0,01
6	0,625	0,01
6,5	0,675	0,01
7	0,725	0,01
7,5	0,775	0,01
8	0,825	0,01
8,5	0,875	0,01
9	1	0,95
9,5	1	0,95
10	1,025	0,95
10,5	1,05	0,95
11	1,05	0,95
11,5	1,05	0,95
12	1,075	0,95
12,5	1,075	0,95
13	1,1	0,95
13,5	1,1	0,95
14	1,1	0,95

Malejąca wartość I_B:

IB	UB [V]	IF [A]
14	1,1	0,95
13,5	1,1	0,95
13	1,1	0,95
12,5	1,075	0,95
12	1,05	0,95
11,5	1,05	0,95
11	1,05	0,95
10,5	1,25	0,95
10	1,0	0,95
9,5	1,0	0,95
9	1,0	0,95
8,5	0,975	0,95
8	0,975	0,95
7,5	0,95	0,95
7	0,95	0,95
6,5	0,925	0,95
6	0,925	0,95
5,5	0,9	0,95
5	0,9	0,95

Wykres:

• Wzmocnienie tyrystora:

Moc tracona w obwodzie bramkowym tyrystora:

Moc wydzielona w obciążeniu (żarówce):

Wzmocnienie tyrystora w badanym układzie:

Obliczenie wzmocnienia maksymalnego tyrystora:

UOmax = 500 V IFmax = 10 A

• Sprawność tyrystora:

I_F = 0,95 A U_B = 0,98 V U_o= 5 V

Moc tracona w tyrystorze:

Sprawność tyrystora:

• Tabelka z wynikami badania właściwości dynamicznych regulatora temperatury.

Liczba kartek	Temperatura [^oC] Δtymax
1	70,04
2	70,03
4	70,02
6	70,01
8	70,00

• Pomiar prędkości obrotowej silnika:


N - liczba czarnych pól

Ks = 100 ⋅ 60 = 6000

Wewnętrzny krążek 2 czarne pola:




Środkowy krążek 4 czarne pola:




Zewnętrzny krążek 6 czarnych pól:




Krążek	Ilość czarnych pól N	Prędkość obrotów (mierzona) obr/min	Prędkość obrotów (wyliczona) obr/min
wewnętrzny	2	3000	3000
środkowy	4	1600	1500
zewnętrzny	6	1000	1000

• Wnioski:

• Obniżenie wartości I_B nie powoduje wyłączenia żarówki, jak również rozwarcie gniazd B i L nie powoduje żądnych zmian w świeceniu żarówki. Jedynie rozwarcie gniazd W i X powoduje wyłączenie żarówki, gdyż zaniknie napięcie U_z.

• Wzmocnienie tyrystora przyjmuje dość duże wartości doświadczalnie wyznaczyliśmy wartość rzędu 10³, natomiast w praktycznym zastosowaniu poprzez maksymalne obciążenie naszego obwodu można otrzymać wartość rzędu 10⁵.

• Tyrystor może być między innymi łącznikiem obwodów prądu przemiennego. Obserwujemy to podłączając żarówkę w obwód bramkowy, żarówka załącza się przy określonej wartości I_BT. Tyrystor również będzie spełniał swoją funkcję, gdy powalczymy rezystor do anody sterujemy układem poprzez zwieranie i rozwieranie gniazd B i N. Możemy również podłączyć fotorezystor, którym świecenia żarówki regulujemy intensywnością światła dostarczanego do niego .

• Przy użyciu termistrowego czujnika temperatury analizujemy nagrzanie banki żarówki. Różnica wahań temperatury między żarówką włączoną a wyłączoną t wynosi 0,3 , pod wpływem dmuchania na żarówkę wskazanie temperatury obniża się gwałtownie o kilka stopni. Dokładanie kolejnych warstw kartek powoduje zmniejszenie wahań temperatury do 0,1 stopnia

• Tyrystor może również pełnić funkcję sterownika mocy, doświadczalnie analizujemy to poprzez zmianę natężenia prądu I_F. Na oscyloskopie obserwujemy dodatnie impulsy wyzwalające. Przy maksymalnym natężeniu kształt wykresu jest łagodny w maksimum, natomiast wraz ze spadkiem napięcia wyostrza się i spada wartość impulsu.

• Wyznaczenie doświadczalnie prędkości obrotowej dla poszczególnym obwodów na tarczy stroboskopowej metodą doświadczalną, obarczone jest błędem, gdyż określenie momentu pozornego zatrzymania czarnych pól jest trudne do jednoznacznego określenia. Również rozbieżność pomiarów doświadczalnych z teoretycznymi może być spowodowana obniżoną częstotliwością napięcia w sieci elektrycznej.

---