Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

1

Badanie tyrystorów

1. Własno ci i parametry tyrystorów.

Tyrystor

jest przyrz dem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej typu

p-n-p-n, wykazuj cym własno ci sterowanego zaworu.

Cz sto w literaturze anglosaskiej mo na spotka si z terminem SCR - co znaczy

Silicon Control Rectifier lub Semiconduktor Control Rectifier - krzemowy lub

półprzewodnikowy prostownik sterowany.

Tyrystor mo na traktowa jako zawór o zmiennej rezystancji. Zmiany rezystancji maj

tu charakter skokowy. Dla idealnego zaworu obowi zuj nast puj ce zale no ci:

U

= 0, I przyjmuje warto ci od 0 do

∞

I= 0, U przyjmuje warto ci od 0 do

∞

gdzie U - spadek napi cia na zaworze.

Ró ni si zewn trznie od normalnej diody dodatkow trzeci elektrod steruj c , zwan

bramk

.

Zjawiska fizyczne w zł czu czterowarstwowym, o których b dzie mowa dalej,

uzewn trzniaj si w nast puj cy sposób. Dopóki do elektrody steruj cej - bramki nie

zostanie doprowadzony aden impuls pr dowy, to tyrystor w warunkach normalnych

pozostaje w stanie zaporowym, tzn. nie przewodzi pr du elektrycznego niezale nie od znaku

napi cia anodowego wzgl dem katody. Przez warunki normalne nale y rozumie

znamionowe warto ci napi cia i temperatury pracy tyrystora. Charakterystyki tyrystora w

stanie zaporowym s analogiczne do charakterystyk zwykłej diody krzemowej spolaryzowanej

w kierunku zaporowym. Impedancja tyrystora w stanie zaporowym osi ga warto około

10

9

Ω .

Przy dodatnim napi ciu anodowym tyrystor mo na wprowadzi w stan przewodzenia

doprowadzaj c w tym celu do bramki niewielkie napi cie dodatnie wzgl dem katody. W

stanie przewodzenia obwód bramki traci własno ci sterownicze, a charakterystyka

przewodzenia (pr dowo-napi ciowa) jest bardzo podobna do charakterystyki diody

krzemowej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia. Spadek napi cia w kierunku

przewodzenia dla tyrystora wynosi od 1 do 2 V.

Powrót do stanu zaporowego tyrystora mo e jedynie nast pi w dwóch przypadkach:

przy zmianie polaryzacji;

przy zmniejszeniu warto ci pr du anodowego poni ej warto ci pr du

podtrzymania.

Czas trwania obu tych stanów powinien by dostatecznie długi.

2. Uproszczony model tyrystora

Schemat strukturalny tyrystora przedstawiony jest na rys.1. Jest to układ

czterowarstwowy p-n-p-n, w uproszczony sposób układ ten mo na przedstawi jako

kombinacj dwóch tranzystorów o strukturach n-p-n i p-n-p. Układ taki przedstawiono

na rys.2.

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

2

Rys. 1 Schemat strukturalny tyrystora

Rys. 2 Układ zast pczy tyrystora

Jest to układ pracuj cy z dodatnim zasilaniem zwrotnym. W tranzystorze T1 (p-n-p)

płynie pr d dziurowy od emitera w kierunku bazy i kolektora. Cz

tego pr du

α

1

I osi ga

kolektor i wpływa do bazy tranzystora T2 (n-p-n). Natomiast w tranzystorze w stanie

równowagi płynie pr d elektronowy (od emitera do bazy) i cz

tego pr du

α

1

I osi ga

kolektor tranzystora T2. Ponadto przez spolaryzowane zaporowo zł cze 2 (rys. 1.) płynie pr d

generacji cieplnej I

CO

. W stanie równowagi dla warstwy wewn trznej „n” spełnione jest

równanie

I

I

I I

CO

=

+

+

α

α

1

2

gdzie:

I

CO

= I

I

CO

CO

1

2

+

st d

I

I

I

CO

S

=

+

−

+

α

α α

2

1

2

1 (

)

Je li suma

α α

1

2

+ współczynników wzmocnienia pr dowego obwodu tranzystorów jest du o

mniejsza od jedno ci, to pr d wyj ciowy jest rz du I

CO

. W przypadku kiedy

α α

1

2

+ wzrasta

do jedno ci wtedy pr d

I gwałtownie wzrasta do warto ci ograniczonej impedancj

zewn trzn . Napi cie na tyrystorze maleje w tym czasie do warto ci odpowiadaj cej stanowi

nasycenia obu tranzystorów w układzie równowa nym. Jest to przypadek przeł czenia

tyrystora ze stanu zaporowego w stan przewodzenia.

Współczynniki wzmocnienia pr dowego silnie zale od pr du I (rosn ze wzrostem

I). Wynika st d, e warunkiem koniecznym na wprowadzenie tyrystora w stan przewodzenia

jest odpowiednia warto pr du I. Mo e ona by wywołana ( w sprzyjaj cych warunkach -

obydwa skrajne zł cza spolaryzowane w kierunku przewodzenia) przez pr d bramki,

Tranzystor 2

p

n

p

p

Pr d

dziurowy

Pr d

elektronowy

I

s

I

Tranzystor 1

I

C1

=

α

1

I

-I

C2

=-B

B1

I

C2

=

α

2

I

1

2

3

2

n

n

A

I

1

I

2

I

3

p

1

K

G

n

1

n

2

p

2

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

3

dostatecznie wysokie napi cie pomi dzy anod i katod , temperatur lub silnym

promieniowaniem elektromagnetycznym.

Rys.3. przedstawia charakterystyk główn tyrystora - zale no pr du anodowego

tyrystora od napi cia anoda - katoda

I

f U

a

ak

= (

)

Parametrem tej charakterystyki jest nat enie pr du bramki I

G

. Na charakterystyce głównej

tyrystora wyró nia si punkty nazwane parametrami statycznymi:

a) w stanie zaporowym - napi cie przebicia U

BR

- powtarzalne szczytowe napi cie wsteczne U

U

RRM

BR

= 0 75

,

b)

w stanie blokowania - napi cie przeł czania U

BO

,

- powtarzalne szczytowe napi cie blokowania U

U

DRM

BO

= 0 75

,

- niepowtarzalne szczytowe napi cie blokowania U

U

DSM

BO

= 0 9

,

,

(Wi kszo produkowanych tyrystorów charakteryzuje si symetri stanu zaporowego i

blokowania tzn. U

U

RRM

DRM

=

).

c) w stanie przewodzenia - dopuszczalny pr d redni I

T AV

(

)

,

- najwi kszy dopuszczalny pr d redni (pr d graniczny) I

T AV M

(

)

,

- dopuszczalny pr d skuteczny I

T RSM

(

)

,

- pr d progowy I

L

, którego przekroczenie wprowadza tyrystor na

trwałe w stan przewodzenia,

- I

H

minimalny poziom pr du w stanie przewodzenia tyrystora.

(Zmniejszenie pr du tyrystora poni ej warto ci I

H

powoduje wył czenie tyrystora).

Rys.3 Charakterystyki pr dowo napi ciowe tyrystora

3. Wyzwalanie tyrystora.

Rys.4. przedstawia charakterystyki bramkowe tyrystora. Bramkowy impuls

wyzwalaj cy tyrystor powinien posiada odpowiedni poziom. Obszar oznaczony punktem 4

I

A

U

AK

I

TM

I

G

’’ > I

G

’

U

DRM

1

I

RRM

I

RSM

U

RRM

U

PSM

U

BR

I

G

=0

I

DSM

I

DRM

U

DSM

U

B0

U

TM

3

2

I

L

I

T(RMS)

I

H

I

T(AV)

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

4

zawiera zalecane parametry wyzwalania. Linia 6 ogranicza pr d bramki, linia 2 -

dopuszczaln moc sygnału bramkowego, linia 5 maksymalne napi cie. Obszar 3 jest obszarem

gwarantowanego wyzwalania, natomiast obszar 1 - gwarantowanego nieprzeł czania

tyrystora.

Rys. 4 Charakterystyki bramkowe tyrystora

Sterowanie tyrystorów odbywa si pojedynczymi impulsami lub grupami impulsów

(rys.5.), których przesuni cie fazowe wzgl dem napi cia anodowego tyrystorów decyduje o

k cie opó nienia zapłonu.

U

a

U

a

0

ωt 0 ωt

α

α

i

G

i

G

0

ωt 0 ωt

Rys. 5 Pr dy sterowania tyrystorów

Parametry dynamiczne - wielko ci okre laj ce własno ci tyrystora w trakcie zał czania i

wył czania.

a)

czas zał czania t

gt

- czas przej cia tyrystora w stan przewodzenia (wyznacza si go od

momentu przekroczenia ustalonego poziomu przez narastaj cy pr d impulsu

I

G

6 2 3 4

5

0 U

GT

U

GT

I

GT

I

GD

U

G

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

5

wyzwalaj cego do chwili osi gni cia okre lonej warto ci przez pr d w obwodzie

głównym).

b)

krytyczna stromo narastania pr du przewodzenia

di

dt

T

(maksymalna warto , która nie

powoduje uszkodzenia tyrystora. Wi e si to z czasem rozprzestrzeniania si stanu

przewodzenia na cał powierzchni struktury. Stromo narastania pr du po zał czeniu

powinna by ograniczona aby pr d o du ej g sto ci w obszarze ju przewodz cym nie

spowodował lokalnego stopienia struktury).

c)

krytyczna stromo narastania napi cia blokowania

du

dt

D

- maksymalna warto nie

powoduj ca przeł czania tyrystora w stan przewodzenia. (W wyniku doprowadzenia do

tyrystora dodatniego napi cia anodowego o du ej stromo ci narastania nast pi przepływ

znacznego pr du przez pojemno zł cza blokuj cego - J

2

(rys.6.)

Rys.6 Struktura tyrystora uwzgl dniaj ca pojemno ci zł cz półprzewodnikowych.

Du e nat enie pr du

i C

J

du

dt

=

2

mo e przyczyni si do przekroczenia poziomu pr du

zał czania I

L

(patrz rys.3.), a tym samym do przeł czenia tyrystora w stan przewodzenia bez

jakiegokolwiek sygnału w obwodzie sterowania.

d) czas wył czenia t

q

- czas odzyskania przez tyrystor własno ci blokowania po odpowiedniej

zmianie napi cia anodowego i powoduj cej wprowadzenie tyrystora ze stanu

przewodzenia. Wyznacza si go od momentu spadku pr du przewodzenia do zera do

chwili, w której do tyrystora mo na ponownie doprowadzi wła ciwe napi cie blokowania

o odpowiedniej stromo ci narastania.

4. Chłodzenie tyrystorów.

W czasie przewodzenia tyrystora w warstwach półprzewodnika p-n-p-n wydziela si

moc strat w postaci ciepła. Wynika to z tego, e spadek napi cia na zł czach

p

1

n

1

n

2

P

2

I

3

I

2

I

1

A

K

i = C

I2

du/dt

G

du /dt

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

6

półprzewodnikowych nie jest zerowy i osi ga warto kilku woltów. Ciepło wydzielane w

strukturze półprzewodnika powinno by odprowadzane na zewn trz tyrystora, gdy w

przeciwnym przypadku spowodowałoby zniszczenie zł cza p-n-p-n. Wyró nia si dwa

sposoby chłodzenia: - chłodzenie naturalne,

- chłodzenie wymuszone.

Chłodzenie naturalne stosuje si do tyrystorów o mocy wydzielanej do kilkudziesi ciu watów.

W przypadku mocy przekraczaj cej 100W stosuje si chłodzenie wymuszone, gdzie

czynnikiem chłodz cym jest powietrze lub woda. W obu przypadkach wykorzystuje si

u ebrowane radiatory, których powierzchnia jest znacznie wi ksza od powierzchni tyrystora.

5. Tyrystor w obwodach pr du zmiennego z przewodzeniem impulsowym.

Przez przewodzenie impulsowe nale y rozumie takie stany pracy tyrystora, gdzie w

pewnych chwilach czasowych gdzie warto pr du płyn cego przez tyrystor spada poni ej

warto ci pr du podtrzymania i tym samym tyrystor przechodzi w stan wył czenia.

Rys. 7 Schemat wł czenia tyrystora w obwód sieci o napi ciu przemiennym sinusoidalnie

zmiennym obci eniem rezystancyjno-indukcyjnym.

Rys. 8 Metoda wyznaczania k ta zapłonu

α

2

i k ta przepływu dla tyrystora

Λ

Na rys. 7 przedstawiono schemat prostownika sterowanego jednopołówkowego z

obci eniem rezystanycyjno-indukcyjmym. Dla takiego obwodu zale no pomi dzy pr dem

L

U

m

sin(

ωt)

R

i

U

S

U

t

t

Π 2Π

α

2

Λ

α

2

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

7

płyn cym ,, i’’ w tym obwodzie, a napi ciem zasilaj cym mo na wyrazi za pomoc

nast puj cego równania:

iR L

U

t

di

dt

m

z

+

=

+

sin(

)

ω α

gdzie t - jest czasem liczonym od chwili wł czenia tyrystora.

Rozwi zaniem tego równania ró niczkowego dla warto ci chwilowej pr du ,, i” jest

nast puj ce wyra enie:

[

] [

]

i I

I

ctg

m

z

m

z

=

+

−

−

−

⋅ ⋅

cos sin(

)

cos sin(

)

ς

θ α ς

ς

α ς θ

ς

,

gdzie:

θ ω

= t ,

ς

= arctg

L

R

,

λ

= k t przewodzenia tyrystora.

Rozwa my dwa skrajne przypadki:

1)

gdy L= 0 (obci enie czysto rezystancyjne)

2)

gdy R= 0 (obci enie czysto indukcyjne).

W przypadku pierwszym warto redni pr du I

r

wyra a si za pomoc nast puj cego

wzoru:

[

]

I

I

d

I

r

q

m

z

q

m

z

z

=

+

=

+

2

2

1

π

α

π

π

θ α θ

α

sin(

)

(cos

) ,

gdzie: q - liczba pulsacji za okres napi cia zasilaj cego (w naszym przypadku q=1).

I

r

I

z

m

=

+

2

1

π

α

(cos

) .

W tym przypadku pr d w obwodzie spada do zera w chwili gdy napi cie zasilania spada te

do zera.

Rys.9 Wykres pr du i napi cia w obwodzie z obci eniem czysto rezystancyjnym.

Przypadek drugi R= 0 - obci enie czysto indukcyjne.

Dla obci enia czysto indukcyjnego tg

ς

= ∞ , a równanie ró niczkowe opisuj ce zale no

pr du „i” od napi cia zasilania „u” przyjmie posta :

L

U

t

di

dt

m

z

L

=

+

sin(

)

ω α

,

a rozwi zaniem tego równania jest nast puj ce wyra enie :

[

]

i

I

L

L

z

z

m

=

−

+

cos

cos(

)

α

θ α

U , i

U

S

t

t

i

R

i

R

α

2

impulsy

zapłonowe

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

8

przyrównuj c warto chwilow pr du i

L

do zera, mo na wyznaczy k t przewodzenia

tyrystora

0

=

−

+

cos

cos(

)

α

λ α

z

z

cos

cos(

)

α

λ α

z

z

=

+

rozwi zuj c to równanie trygonometryczne otrzymamy:

λ

π α

=

−

2(

)

z

Wynika z tego, e przy obci eniu czysto indukcyjnym pr d płynie przez tyrystor, mimo e

napi cie zasilaj ce spadło do zera, a przy k cie zapłonu

α

z

= 0 k t przewodzenia

λ

wynosiłby 2

π

. Powy szy przypadek jest czysto teoretyczny, poniewa w układach

rzeczywistych rezystancja nie jest równa zero i kat przewodzenia nie osi gnie nigdy warto ci

2

π

i b dzie si zawierał w granicach 0

2

< <

λ

π

.

Na rys.10. przedstawiono wykres pr du i napi cia dla prostownika sterowanego

jednopołówkowego z obci eniem rezystancyjno-indukcyjnym.

Rys. 10 Wykres pr du i napi cia w obwodzie z obci eniem rezystancyjno-indukcyjnym.

6. Tyrystor w obwodach pr du stałego

Jak wspomniano na wst pie warunkiem koniecznym na wył czenie tyrystora jest

zmniejszenie pr du płyn cego przez tyrystor poni ej warto ci pr du podtrzymania. W

obwodach pr du zmiennego komutacja tyrystora (przeł czanie) odbywa si w sposób

naturalny wraz ze zmianami napi cia zasilania.

W obwodach pr du stałego napi cie zasilania ma stał warto i wył czanie tyrystora

musi odby si przez wymuszenie spadku pr du płyn cego przez zawór półprzewodnikowy za

pomoc przeładowania pojemno ci C podł czonej równolegle mi dzy anod i katod

tyrystora. Rys.11. wyja nia zasad działania komutacji wymuszonej.

Rys. 11 Pogl dowy schemat komutacji wymuszonej.

U

t

t

zał cz

−

+

wył cz

C

I

L

R

C

R

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

9

Klucz „zał cz” wł cza impulsowo pr d bramki i powoduje przej cie tyrystora w stan

przewodzenia. Kondensator C zaczyna ładowa si poprzez rezystor R i tyrystor do napi cia,

które maksymalnie mo e osi gn warto napi cia zasilania. Polaryzacja kondensatora jest

taka, e od strony rezystora R jest potencjał dodatni a od strony anody tyrystora ujemny. Gdy

impulsowo zostanie naci ni ty klucz „wył cz” pomi dzy anod i katod tyrystora podł czone

zostanie ródło napi cia (w kierunku zaporowym), którym jest naładowany kondensator. Tym

samym tyrystor zostanie wył czony.

Pojemno kondensatora C musi spełnia nast puj cy warunek:

C

I t

U

L q

=

,

gdzie t

q

- czas wył czania tyrystora,

I t

L q

- odpowiada ładunkowi Q zgromadzonemu na okładkach kondensatora C.

Funkcj zestyków mechanicznych-„kluczy” mog spełnia klucze elektroniczne np.

tranzystory sterowane z dodatkowego układu. Takie urz dzenie pozwoli na zmian napi cia

stałego na impulsowe spadki napi cia na obci eniu R

L

. Gdy obci eniem R

L

b dzie

uzwojenie pierwotne transformatora, to na uzwojeniu wtórnym otrzymamy napi cie

przemienne i taki układ nazywamy przekształtnikiem napi cia stałego na zmienne -

falownikiem.

7. Metody wyzwalania tyrystorów.

Jak wcze niej wykazano warto rednia pr du płyn cego przez tyrystor zale y od k ta

zapłonu

α

z

.

W celu uzyskania maksymalnych zmian tej warto ci nale y zmienia k t zapłonu

α

z

od zera

do 180

0

. (Dla obci enia czysto rezystancyjnego).

Nie wszystkie metody pozwalaj na taki zakres zmian k ta

α

z

. Najprostsza metoda z

przesuwnikiem fazowym RC teoretycznie pozwala na uzyskanie

α

z max

= 90

0

i nie

wykorzystuje pełnych mo liwo ci regulacyjnych tyrystora.

Najcz ciej spotykanym układem wyzwalania o zakresie od 0

0

do180

0

jest układ z

„poziomowaniem piły”.

Rys.13. przedstawia schemat blokowy takiego układu.

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

10

Rys. 13 Schemat blokowy układu formowania piły

Układ formowania piły generuje napi cie piłokształtne o cz stotliwo ci równej podwojonej

cz stotliwo ci sieci. Na rezystorach R nast puje sumowanie napi cia stałego z potencjometru

zadaj cego P

z

i napi cia piłokształtnego.

Rys. 14 Przebiegi sygnałów dla układu formowania impulsów

Rys. 14. przedstawia w sposób graficzny zjawisko przesuni cia impulsu zapłonowego.

Układ formowania impulsów posiada stały próg napi ciowy wyzwalania impulsów (impulsu).

Zmieniaj c napi cie stałe za pomoc potencjometru zadaj cego przy niezmiennym napi ciu

maksymalnym piły, uzyskujemy efekt przesuni cia w czasie napi cia progowego. Chodzi tu o

czas liczony wzgl dem pocz tku trwania napi cia piłokształtnego, co odpowiada czasowi

mierzonemu od pocz tku połówki sinusoidy. Je li próg napi ciowy układu wyzwalania

Układ

formowania

piły

zasilacz

Układ

formowania

impulsów i

wzmocnieni

a impulsów

Transformator

sprz gaj cy

Transformator

synchronizuj cy

P

Z

R

R

ε

U

S

t

U

P

t

t

t

U

Z

U

Σ

α

Z1

α

Z2

α

Z3

Politechnika Warszawska, IIM w Płocku –

Laboratorium z Podstaw Elektrotechniki i Elektroniki

11

impulsu równy jest 0 V, to U

pz

= 0 (napi cie potencjometru zadaj cego) kat zapłonu te jest

równy zero. Natomiast gdy U

pz

= napi ciu maksymalnemu piły, to

α

z

= 180

0

.

Sterowanie warto ci redniej pr du przez zmian k ta zapłonu z tyrystora wprowadza

zakłócenia do sieci zasilaj cej. Szczególnie ma to miejsce w obwodach z obci eniem

rezystancyjnym. Pr d w takim obwodzie, jak to pokazano na rys.10. , nie ma przebiegu

sinusoidalnie zmiennego. Jak wykazuje analiza widmowa takiego odkształconego przebiegu,

im wy szy jest stopie odkształcenia, tym wi ksza jest amplituda przebiegów harmonicznych

(przebiegów o cz stotliwo ciach równych całkowitym wielokrotno ciom cz stotliwo ci

przebiegu podstawowego - 50 Hz). Wynika z tego, e dla małych katów zapłonu

α

z

zniekształcenia nieliniowe s niewielkie. Ten niekorzystny wpływ tyrystora sterowanego

k tem zapłonu na sie zasilaj c mo na zmniejszy stosuj c dławiki w obwodzie zasilania.

Jest to metoda do kosztowna, szczególnie w układach o du ej mocy. Dlatego tam gdzie jest

mo liwe stosuje si metod sterowania grupowego. Metoda ta ma zastosowanie szczególnie w

układach regulacji temperatury lub sterowanych prostownikach akumulatorowych.

Zasada sterowania grupowego polega na tym, e zawór sterowany, którym jest tyrystor

przepuszcza grupy pełnych sinusoid.

Regulacje warto ci redniej pr du uzyskuje si przez zmian liczby pełnych okresów

sinusoidy w grupie (zmian czasu otwarcia zaworu T

n ms

0

20

=

, gdzie n jest liczb

całkowit ). Jak wida z powy szego otwarcie i zamkni cie zaworu ma miejsce w czasie gdy

sinusoida napi cia zasilaj cego przechodzi przez warto zerow i tym samym wprowadza

minimalne zakłócenia.