!

"

#

! #

$%

& '

(

( )

#* (+ ,

-

) ! .

/(,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.