Zakład Energoelektroniki, Robotyki i Automatyzacji

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

Cz

ę

stochowa 2005

Ćwiczenie nr 2 :

CHARAKTERYSTYKI TERMICZNE TYRYSTORA (CT)

(Badanie wpływu temperatury na własno

ś

ci tyrystora SCR)

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

aktual. 1 marca 2005

Charakterystyki termiczne tyrystora CT

str.

opr. Marian Kępiński

2/7

1. WP RO W ADZE NI E

1A. Cel

ć

wiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, właściwości

i charakterystyk tyrystora SCR oraz wpływu temperatury struktury
na parametry i charakterystyki przyrządu.

1B. Tyrystor SCR

Tyrystor SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier) jest sterowanym

przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej pnpn
z wyprowadzonymi elektrodami: anodą, katodą i bramką (rys.1).

Rys.1 Symbol tyrystora SCR (

http://elektro.w.interia.pl/

)

Uproszczony schemat zastępczy (rys.2) przedstawia zasadę działania
tyrystora. W stanie spoczynku oba tranzystory nie przewodzą. Po podaniu
impulsu na bazę włącza się tranzystor npn. Prąd jego kolektora powoduje
otwarcie tranzystora pnp. Z kolei prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn -
podtrzymując jego otwarcie, po zaniku impulsu. Wystarczy podać nawet
krótki impuls na bramkę, by otworzyć tyrystor na stałe. Układ będzie
przewodził aż do zaniku lub zmiany polaryzacji napięcia zasilającego.

Rys.2 Schemat zast

ę

pczy tyrystora (

http://elektro.w.interia.pl/

)

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

aktual. 1 marca 2005

Charakterystyki termiczne tyrystora CT

str.

opr. Marian Kępiński

3/7

W zależności od polaryzacji anody względem katody tyrystor może
znajdować się w stanie zaworowym lub blokowania. Po doprowadzeniu
dodatniego impulsu prądowego do bramki (gdy przyrząd znajduje się
w stanie blokowania), następuje jego załączenie i przejście do stanu
przewodzenia. Wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia
w stan blokowania lub zaworowy, wymaga zmniejszenia prądu anodowego
tyrystora do wartości mniejszej od prądu podtrzymania I

H

lub zmiany

polaryzacji napięcia anoda-katoda. Właściwości tyrystora w tych stanach
pracy przedstawia charakterystyka główna (rys.3), obrazująca zależność
prądu anodowego od napięcia anoda-katoda.

Rys.3 Charakterystyka pr

ą

dowo-napi

ę

ciowa tyrystora SCR

(

http://elektro.w.interia.pl/energoel/tyrystory.html

)

Obwód bramka - katoda wykazuje właściwości diodowego złącza pn (rys.4a)
o niewielkim napięciu przebicia przy polaryzacji wstecznej. Ponieważ
charakterystyki bramkowe tyrystorów wskazują stosunkowo duży rozrzut,
katalogowe

charakterystyki

napięciowo-prądowe

bramki

tyrystora

przedstawione są w postaci dwóch krzywych granicznych (rys.4b), między
którymi powinna leżeć charakterystyka dowolnie wybranego egzemplarza
tyrystora danego typu. Prosta obciążenia źródła sygnału sterującego powinna
przecinać napięciowo-prądową charakterystykę bramkową danego tyrystora
w obszarze pewnych przełączeń.

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

aktual. 1 marca 2005

Charakterystyki termiczne tyrystora CT

str.

opr. Marian Kępiński

4/7

a)

b)

c)

Rys. 4. Przykładowa charakterystyka obwodu bramkowego (a), schemat zast

ę

pczy

ź

ródła

sygnałów steruj

ą

cych (b), charakterystyka i obszary pracy obwodu bramki (c)

Oznaczenia na rys.4:

U

Gmax

- maksymalne szczytowe napi

ę

cie przewodzenia bramki

I

Gmax

- maksymalny szczytowy pr

ą

d przewodzenia bramki

U

G on

- napi

ę

cia przeł

ą

czaj

ą

ce (wyzwalaj

ą

ce) bramki

I

G on

- pr

ą

d przeł

ą

czaj

ą

cy (wyzwalaj

ą

cy) bramki

P

Gmax

- hiperbola dopuszczalnej straty mocy w bramce

pr.obc. - prosta obci

ąż

enia obwodu bramkowego

υ

j

- temperatury zł

ą

cza bramka-katoda

NZ

- obszar niemo

ż

liwych przeł

ą

cze

ń

tyrystora, Na rys. podana jest równie

ż

najwi

ę

ksza

warto

ść

napi

ę

cia i pr

ą

du bramki, która nie powoduje wł

ą

czenia tyrystora danego typu.

MZ

- obszar mo

ż

liwych przeł

ą

cze

ń

tyrystora lub tzw. obszar niepewnego wyzwalania.

Proste pionowe i poziome, które przecinaj

ą

ten obszar, wyznaczaj

ą

minimaln

ą

warto

ść

pr

ą

du i napi

ę

cia bramki niezb

ę

dn

ą

do wyzwolenia tyrystora przy okre

ś

lonej

temperaturze struktury.

PZ

- obszar pewnych przeł

ą

cze

ń

(pewnego wyzwalania).

U

G

E

G

I

G

R

G

Th

I

G

U

G

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

aktual. 1 marca 2005

Charakterystyki termiczne tyrystora CT

str.

opr. Marian Kępiński

5/7

Oprócz wyzwalania bramkowego, przejście tyrystora ze stanu blokowania
do stanu przewodzenia może nastąpić:

przy przekroczeniu pewnej granicznej wartości napięcia blokowania

U

D

między anodą i katodą tyrystora,

przy przekroczeniu granicznej temperatury,

pod wpływem promieniowania świetlnego doprowadzonego do złącza

pn,

przy przekroczeniu pewnej wartości stromości narastania napięcia

blokowania na tyrystorze du/dt (prąd pojemnościowy płynący przez
złącze może wywołać taki sam efekt jak prąd bramki).

Rys.5 Tyrystor SCR 6500V, 1500A, 50

µ

s,

produkcji ABB (

theelectrostore.com/

)

Rys.6 Moduł 2 x SCR chłodzony wod

ą

(

www.torontosurplus.com

)

1C. Wła

ś

ciwo

ś

ci termiczne przyrz

ą

dów energoelektronicznych

Przyrządy półprzewodnikowe utrzymują swoje katalogowe parametry

statyczne i dynamiczne jedynie wówczas, gdy temperatura struktury zawarta
jest w dopuszczalnym zakresie. Szczególnie niekorzystny jest wzrost
temperatury półprzewodnika powyżej temperatury granicznej, co może
powodować utratę własności elementu, np. samoczynne załączenie tyrystora
i w konsekwencji uszkodzenie układu (zniszczenie elementu). Nagrzewanie
przyrządów energoelektronicznych następuje w wyniku wydzielających się
w strukturze strat energii występujących w stanie przewodzenia, przy
przełączeniach oraz w stanach blokowania i zaworowym. Ciepło wynikające
ze strat musi być skutecznie odprowadzane do otoczenia przy pomocy
systemów chłodzenia (radiatory, wentylacja itp.).

LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI

aktual. 1 marca 2005

Charakterystyki termiczne tyrystora CT

str.

opr. Marian Kępiński

6/7

2. PROGRAM

Ć

WICZENIA

1.

Połączyć układ pomiarowy według załączonego schematu.

2.

Włączyć napięcia zasilania układu pomiarowego oraz obwód podgrzewania

struktury tyrystora.

3.

Dla temperatur struktury zmienianych od 20

o

C do 120

o

C, co 20

o

C zmierzyć

charakterystyki obwodu bramkowego tyrystora U

G

= f (I

G

), zadając wartości

prądu I

G

w zakresie 0 – 40 mA, co 2mA.

4.

Dla każdej z temperatur odczytać wartość napięcia przewodzenia tyrystora U

F

oraz określić wartości napięcia U

G min

i prądu I

G min

bramki, przy których

nastąpiło załączenie tyrystora.

3. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIE

1.

Na wspólnym wykresie wykreślić rodzinę charakterystyk U

G

= f (I

G

) dla

poszczególnych temperatur, zaznaczając punkty w których nastąpiło załączenie

tyrystora.

2.

Odczytać z charakterystyk wartości prądów i napięć bramki U

G min

, I

G min

,

przy których następuje załączenie tyrystora.

3.

Wykreślić charakterystykę zależności prądu bramki, przy którym następuje

załączenie tyrystora od temperatury I

G min

= f (T).

4.

Wykreślić charakterystykę zależności napięcia bramki, przy którym następuje

załączenie tyrystora od temperatury U

G min

= f (T).

5.

Wykreślić zależność napięcia przewodzenia tyrystora od temperatury U

F

= f(T).

6.

WNIOSKI

- Omówić wpływ temperatury na własności i charakterystyki tyrystora SCR.

L

A

B

O

R

A

T

O

R

IU

M
E

N

E

R

G

O

E

L

E

K

T

R

O

N

IK

I

ak

tu

a

l.

1

m

ar

ca

2

0

0

5

C

h

ar

ak

te

ry

st

y

k

i t

er

m

ic

zn

e

ty

ry

st

o

ra

C

T

st

r.

o

p

r.

M

ar

ia

n

K

ę
p

iń

sk

i

7

/7

Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyk tyrystora SCR

V

V

mA

R

G

A

K

G

Zasilacz

20V

0 - 10A

Zasilacz

20V

0 - 1A

+

+

+

0 - 300mA

0 - 3V

U

G

U

F

0 - 3V

I

G

A

R

A

0 - 3A

Tyrystor T00-40-12

(40A / 1200V)

I

F

12 / 6,2A

Ω

200 / 1A

Ω