!

"

#

! #

$%

& '

(

( )

#* (+ ,

-

) ! .

/(,0

1

%

2%

'

(

34#

5

6

5

. 75

8 %

9::;

2

1. Cel wiczenia

Celem wiczenia jest przeprowadzenie pomiarów oraz rejestracja prze-

biegów czasowych napi i pr dów wyj ciowych dla wybranych układów

prostowników diodowych przy ró nych rodzajach obci e .

2. Dioda prostownicza

Prostowniki niesterowane budowane s z diod prostowniczych. Dioda

prostownicza jest dwustanowym, dwuelektrodowym elementem półprzewod-

nikowym z jednym zł czem PN. Posiada nast puj ce elektrody : anod wy-

prowadzon z półprzewodnika typu P i katod wyprowadzon z półprze-

wodnika typu N. Podstawow cech diody jest przewodzenie jednokierun-

kowe. Dioda przewodzi pr d przy dodatnim napi ciu pomi dzy anod a kato-

d , natomiast nie przewodzi przy polaryzacji przeciwnej.

Dioda mocy nazywana równie diod energetyczn przeznaczona jest do

pracy przy napi ciach wy szych ni kilkadziesi t woltów i pr dach powy ej

kilku amperów [3]. Aby zapewni bezawaryjn prac diody przy takich wiel-

ko ciach pr dów i napi , stosuje si specjalne rozwi zania konstrukcyjne.

Jednym z najistotniejszych zagadnie jest konieczno zapewnienia mo liwie

małego spadku napi cia przy przewodzeniu du ych pr dów. Warunek ten, w

du ym stopniu, zapewnia zwi kszenie g sto ci domieszkowania warstw N i P

materiału półprzewodnikowego tak, by obszary przył czowe były nasycone

dostateczn liczb no ników. Efektem niekorzystnym tego rozwi zania jest

fakt, e warstwy mocno domieszkowane tworz w sk stref zł czow w sta-

nie zaworowym. Wskutek tego, przy du ych warto ciach napi cia wyst puje

przebicie wywołane tak zwanym powielaniem lawinowym. Rozwi zaniem

tego problemu jest stosowanie w konstrukcji diody mocy struktury trójwar-

stwowej. Schemat takiej konstrukcji został przedstawiony na rysunku 1.

Strefa zł czowa

N

+

N

-

P

+

Rys. 1. Schemat struktury warstwowej diody mocy

Rozwi zanie polega na umieszczeniu pomi dzy silnie domieszkowany-

mi warstwami oznaczonymi jako P

+

i N

+

warstwy o znacznie mniejszej ilo ci

domieszek oznaczonej jako N

−

. Dzi ki temu strefa zł cza rozprzestrzenia si

3

w gł b warstwy zubo onej N

−

, co zapewnia dostateczn wytrzymało napi -

ciow .

Wa nym zagadnieniem w konstrukcji diody mocy jest zapewnienie wy-

sokiej odporno ci zł cza półprzewodnikowego na przebicie mog ce wyst pi

pod wpływem przyło onego zbyt du ego napi cia [3]. Najbardziej nara onym

na przebicie fragmentem jest obszar na brzegu warstwy zł czowej, czyli miej-

sce wyj cia z wn trza kryształu na powierzchni . Jest to obszar powstawania

du ego nat enia pola elektrycznego. Schematycznie przedstawiono te miej-

sca na rysunku 2. Rozwi zaniem tego problemu jest zwi kszenie wytrzymało-

ci zł cza w tych newralgicznych rejonach. Konstrukcyjnie osi ga si to przez

precyzyjne szlifowanie cylindrycznego kryształu krzemu na kształt sto kowy

i pokrycie powierzchni szlifu materiałem dielektrycznym o dobrych parame-

trach – najcz ciej dwutlenkiem krzemu lub ywic .

N

+

N

-

P

+

Miejsca o du ym nat eniu pola

Rys. 2. Schemat umiejscowienia w strukturze zł czowej rejonów szczegól-

nie wra liwych na przebicie [3]

3. Wła ciwo ci i parametry diody w stanach ustalonych

W stanie zaworowym dioda ma bardzo du rezystancj ( rz du 10

9

Ω ).

Pod wpływem przyło onego napi cia wstecznego płynie niewielki pr d

wsteczny

I

R

. Ze wzgl du na wielko i skutek działania dla diody wyró nia

si nast puj ce warto ci napi cia wstecznego [1]:

-

szczytowe wsteczne napi cie pracy

U

RWM

- jest to maksymalna warto

napi cia wstecznego, przy którym dioda mo e pracowa długookresowo,

-

powtarzalne szczytowe napi cie wsteczne

U

RRM

- jest to napi cie, które

mo e pojawia si cyklicznie w krótkich odst pach czasu,

-

niepowtarzalne szczytowe napi cie wsteczne

U

RSM

- jest to napi cie, które

mo e pojawia si przypadkowo w znacznych odst pach czasu,

-

napi cie przebicia

U

(BR)

- warto napi cia, przy którym gwałtownie wzra-

sta pr d wsteczny, co powoduje lawinowy wzrost strat mocy dla kierunku

wstecznego, nast puje przebicie struktury półprzewodnika i dioda ulega

zniszczeniu.

4

Wła ciwo ci statyczne diody w stanie zaworowym i w stanie przewo-

dzenia ilustruje charakterystyka pr dowo-napi ciowa przedstawiona na ry-

sunku 3.

I

F

U

F

U

R

W

M

U

R

R

M

U

R

S

M

U

(B

R

)

I

FSM

I

F(0V)

I

FRM

I

FM

Rys. 3. Charakterystyka pr dowo-napi ciowa diody półprzewodnikowej [1]

W stanie przewodzenia przyło one napi cie musi przekroczy warto

napi cia progowego

U

(TO)

, poni ej którego pr d ma bardzo mał warto . Dla

diod krzemowych napi cie progowe wynosi około 0,6

÷ 0,8 V.

Pr d diody w

stanie przewodzenia mo e przyjmowa nast puj ce charakterystyczne warto-

ci [1]:

-

szczytowy pr d przewodzenia

I

FM

– maksymalny długotrwały pr d pracy,

-

szczytowy powtarzalny pr d przewodzenia

I

FRM

- maksymalna warto

pr du pojawiaj cego si w krótkich przedziałach czasu,

-

przeci eniowy pr d przewodzenia

I

F(0V)

,

-

niepowtarzalny szczytowy pr d przewodzenia

I

FSM

– okre lany dla prze-

biegu sinusoidalnego i maksymalnej dopuszczalnej temperatury struktury

półprzewodnika

T

jmax

.

5

4. Komputerowy układ do badania prostowników niesterowanych

Do realizacji bada prostowników niesterowanych wykonano kompute-

rowy układ pomiarowy, który składa si z nast puj cych modułów: prostow-

nik niesterowany, zestaw przetworników pomiarowych, komputer z kart

pomiarow oraz oprogramowaniem [5]. Zrealizowany układ zaprezentowano

na rys. 4.

Układ prostownika wykonano w postaci zamkni tej obudowy z tworzy-

wa sztucznego. Na płycie czołowej obudowy zostały zamontowane zaciski

laboratoryjne umo liwiaj ce ł czenie diod w ró nych konfiguracjach. Na

bocznej ciance obudowy zamontowano gniazda bezpieczników topikowych

3,15 A, stanowi cych zabezpieczenie nadpr dowe. Diody prostownicze w

ilo ci 7 sztuk wraz z radiatorami aluminiowymi zamocowano na płytce mon-

ta owej, która nast pnie została zamontowana w obudowie. Jako elementy

wykonawcze w układzie zastosowano diody typu BYP 680 – 500 produkcji

UNITRA CEMI. Jest to dioda krzemowa redniej mocy przeznaczona do pra-

cy w układach prostowniczych. Jest wykonana w obudowie metalowej typu

D04 CE11 umo liwiaj cej jej monta do radiatora. Zestawienie wybranych

parametrów diody BYP 680 – 500 przedstawiono w tabeli 1.

Tabela 1. Wa niejsze parametry techniczne diody BYP 680 - 500 [4]

Nazwa parametru

Symbol

Warto

Maksymalny pr d wyprostowany

I

F max

5 A

Szczytowe wsteczne napi cie pracy

U

RWM

500 V

Szczytowe niepowtarzalne napi cie

wsteczne

U

RSM

800 V

Pr d przeci eniowy

I

FSM

60 A

Pr d wsteczny

I

R

1,5 mA

Maksymalna temperatura zł cza

T

jmax

150

°C

6

Komputer PC

Karta pomiarowa

PCL 818L

Interfejs PCLD - 8115

IN COM

IN 50A

IN 10A

IN COM

IN 500V

IN 100V

IN 10V

GND

OUT

±15V

Blok przetworników

LA 55 LV 25

OUT

±15V

zł cze

DB 37

A

V

Blok prostownika

L1

L2

L3

N

+U

d

-U

d

CH 3 CH 2 GND

L1

L2

L3

L

R

Rys. 4. Schemat komputerowego układu do badania prostowników

niesterowanych [5]

Nast pnym blokiem układu s przetworniki napi cia i pr du wyprosto-

wanego płyn cego przez obci enie prostownika. Zastosowanie przetworni-

ków zapewnia dwa podstawowe warunki współpracy z kolejnym elementem

układu, jakim jest komputer PC z kart pomiarow , czyli :

7

-

galwaniczne odseparowanie prostownika doł czonego do sieci zasilaj cej

od układu elektrycznego komputera,

-

dostosowanie napi i pr dów prostownika do zakresów wymaganych

przez kart pomiarow zainstalowan w komputerze.

-

zachowanie kształtu mierzonego sygnału w szerokim zakresie cz stotliwo-

ci.

Do realizacji układu pomiarowego wykorzystano nast puj ce przetworniki

wyprodukowane przez firm LEM:

-

przetwornik pr dowy typu LA 55-P,

-

przetwornik napi ciowy typu LV 25-P.

Przetwornik pr dowy typu LA 55-P jest układem z zamkni t p tl sprz e-

nia zwrotnego i z analogowym wyj ciem pr dowym. Zestawienie podstawo-

wych parametrów przetwornika podano w tabeli 2.

Tabela 2. Zestawienie podstawowych parametrów przetwornika

pr dowego LA 55-P [2]

Parametr

Warto

Zakres pomiarowy

0

± 100 A

Pr d znamionowy

I

n

50 A

Znamionowy pr d wtórny

I

w

25 mA

Rezystancja wewn trzna

R

w

145

Ω

Dokładno pomiaru

± 0,65 %

Liniowo

± 0,15 %

Pasmo przenoszenia

0 ÷ 200 kHz

Napi cie izolacji

2,5 kV

Zakres temperatury pracy

-25

÷ 85 °C

Napi cie zasilaj ce

± 12 V , ± 15 V

Przetwornik napi ciowy typu LV 25-P jest równie układem z zamkni t

p tl sprz enia zwrotnego i z analogowym wyj ciem pr dowym. Zakres na-

pi cia mierzonego ustalany jest za pomoc dodatkowego opornika wł czane-

go szeregowo z uzwojeniem pierwotnym. Zestawienie podstawowych para-

metrów przetwornika podano w tabeli 3.

8

Tabela 3. Zestawienie podstawowych parametrów przetwornika

napi ciowego LV 25-P [2]

Parametr

Warto

Zakres napi ciowy

10

÷ 500 V

Pierwotny pr d znamionowy

I

p

10 mA

Znamionowy pr d wtórny

I

w

25 mA

Zakres pomiarowy pr du pierwotnego

0

± 14 m A

Dokładno pomiaru

± 0,8 %

Liniowo

± 0,2 %

Czas reakcji

40

µs

Napi cie izolacji

2,5 kV

Zakres temperatury pracy

-25

÷ 85 °C

Napi cie zasilaj ce

± 12 V , ± 15 V

Ostatnim blokiem układu wykonuj cym wła ciwy pomiar oraz umo li-

wiaj cym analiz i prezentacj danych pomiarowych jest komputer PC wypo-

sa ony w specjalistyczn kart pomiarow typu PCL 818L firmy Advantech.

Karta doł czona jest do układu poprzez interfejs typu PCLD 8115 umo li-

wiaj cy fizyczne dopasowanie wyj przetworników elektrycznych do zł cza

wej ciowego karty.

Prawidłow współprac karty pomiarowej z komputerem oraz pozostał

cz ci układu zapewnia program DASYLab. Jest to pakiet nale cy do grupy

programów umo liwiaj cych tworzenie tak zwanych wirtualnych instrumen-

tów pomiarowych. Umo liwia on skonfigurowanie sprz tu pomiarowego, re-

jestrowanie oraz wizualizacj mierzonych sygnałów w czasie rzeczywistym.

Do realizacji pomiarów napi cia oraz pr du wyj ciowego układów prostow-

nikowych opracowano schemat, który zaprezentowano na rys. 5.

Rys. 5. Schemat układu do pomiarów oraz wizualizacji napi cia i pr du

wyj ciowego prostowników niesterowanych

9

5. Program wiczenia
1) Poł czy układ prostownika jednopulsowego według zamieszczonych na

rys. 4 i 6 schematów. Przy wykorzystaniu komputerowego układu pomia-

rowego odczyta wskazania mierników wirtualnych oraz zarejestrowa

przebiegi czasowe napi cia i pr du wyj ciowego prostownika dla nast -

puj cych obci e : rezystancyjnego, rezystancyjno-indukcyjnego oraz re-

zystancyjno-indukcyjnego przy wł czonej diodzie zwrotnej.

D

1

D

Z

L

1

L

2

A

V

L

3

L

R

N

+U

d

-U

d

W

1

W

2

Rys. 6. Schemat układu do badania prostownika jednopulsowego

2) Poł czy układ prostownika dwupulsowego mostkowego według zamiesz-

czonych na rys. 4 i 7 schematów. Przy wykorzystaniu komputerowego

układu pomiarowego odczyta wskazania mierników wirtualnych oraz za-

rejestrowa przebiegi czasowe napi cia i pr du wyj ciowego prostownika

dla nast puj cych obci e : rezystancyjnego, rezystancyjno-indukcyjnego

oraz rezystancyjno-indukcyjnego przy wł czonej diodzie zwrotnej.

D

2

D

1

D

Z

L

1

L

2

A

V

L

3

L

R

+U

d

-U

d

D

3

D

4

N

W

1

W

2

Rys. 7. Schemat układu do badania prostownika dwupulsowego mostkowego

10

3) Poł czy układ prostownika trójpulsowego według zamieszczonych na rys.

4 i 8 schematów. Przy wykorzystaniu komputerowego układu pomiarowe-

go odczyta wskazania mierników wirtualnych oraz zarejestrowa prze-

biegi czasowe napi cia i pr du wyj ciowego prostownika dla nast puj -

cych obci e : rezystancyjnego, rezystancyjno-indukcyjnego oraz rezy-

stancyjno-indukcyjnego przy wł czonej diodzie zwrotnej.

D

3

D

2

D

1

D

Z

L

1

L

2

A

V

L

3

L

R

N

+U

d

-U

d

D

3

D

2

D

1

D

Z

L

1

L

2

A

V

L

3

L

R

N

+U

d

-U

d

W

2

W

2

Rys. 8. Schemat układu do badania prostownika trójpulsowego

6. Opracowanie sprawozdania

W sprawozdaniu nale y:

1) Zamie ci odczytane wskazania mierników wirtualnych oraz zarejestrowa-

ne przebiegi czasowe napi cia i pr du wyj ciowego dla poszczególnych

układów prostowników przy ró nych rodzajach obci e .

2) Scharakteryzowa wpływ indukcyjno ci na warto ci rednie napi cia i pr -

du wyprostowanego dla badanych prostowników.

3) Opisa działanie diody zwrotnej oraz jej wpływ na warto ci rednie napi -

cia i pr du wyprostowanego dla poszczególnych prostowników.

7. Literatura
[1] Januszewski S., Pytlak A., Rosnowska-Nowaczyk M., wiatek H.: Ener-

goelektronika. WSiP, Warszawa 2004.

[2] LEM Corporate Comunications: Current and voltage transducers for in-

dustrial applications. LEM, Geneva, Switzerland 1996.

[3] Nowak M., Barlik R.: Poradnik in yniera energoelektronika. WNT, War-

szawa 1998

[4] UNITRA CEMI: Katalog wyrobów 1988.

[5] Wróbel A.: Opracowanie koncepcji oraz wykonanie komputerowego

układu do badania prostowników niesterowanych. Praca dyplomowa,

Wydział Elektryczny Politechniki Cz stochowskiej, Cz stochowa 2005.