POLITECHNIKA ŚLĄSKA

WYDZIAŁ INśYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI

INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH

LABORATORIUM ELEKTRYCZNE

Badanie tyrystorów

ver. 03

(E - 9)

www.imiue.polsl.pl/~wwwzmiape

Opracował:

dr inż. Michał Strozik

Sprawdził:

dr inż. Włodzimierz Ogulewicz

Zatwierdził: dr hab. inż. Janusz Kotowicz

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych jednego

z najważniejszych przyrządów półprzewodnikowych znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce: tyrystora.

Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umożliwia mierzącemu

wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych w/w elementu.

2. Wprowadzenie:

Tyrystory, stosowane od końca lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, są najważniejszymi elementami półprzewodnikowymi w elektroenergetyce. Nazwa tyrystor wskazuje na analogię funkcjonalną tego elementu do tyratronu (przełącznikowej lampy gazowanej) i oznacza półprzewodnikowy element

dwustanowy (przełącznikowy), o co najmniej trzech złączach. Element ten w kierunku przewodzenia pracuje w jednym z dwóch stanów: włączenia lub blokowania.

Ze względu na ilość elektrod (zacisków) rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje tyrystorów:

tyrystory diodowe – dwuzaciskowe,

tyrystory triodowe – trójzaciskowe.

W grupie tyrystorów diodowych – dynistorów rozróżnia się struktury:

• trójwarstwowe – tryger-diak (dynistor dwukierunkowy),

• czterowarstwowe – dioda Shockley’a (dynistor jednokierunkowy),

• pięciowarstwowe – diak (ang. DIAC – DIode for AC) (dynistor

dwukierunkowy – symetryczny).

W grupie tyrystorów triodowych – tyrystorów rozróżnia się struktury:

• czterowarstwowe – tyrystory (jednokierunkowe),

tyrystor konwencjonalny SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier),

tyrystor przewodzący wstecznie RCT (ang. Reverse Conducting

Thyristor)

tyrystor wyłączalny GTO (ang. Gate Turn-Off thyristor)

tyrystor elektrostatyczny SITH (ang. Static Induction THyristor)

tyrystor sterowany napięciowo MCT (ang. MOS Controlled

Thyristor)

2

• pięciowarstwowe – triak (ang. TRIAC – TRIode for AC) (tyrystor

dwukierunkowy – symetryczny).

W grupie tyrystorów występują również elementy optoelektroniczne:

• fototyrystor diodowy – LAS (ang. Light Activated Switch),

• fototyrystor triodowy – LTT (ang. Light Triggered Thyristor).

Wspólną cechą tyrystorów jest występowanie obszaru o ujemnej rezystancji dynamicznej na charakterystykach napięciowo-prądowych.

Największe znaczenie praktyczne posiada tyrystor triodowy i triak.

2.1. Tyrystor triodowy konwencjonalny SCR

Tyrystor konwencjonalny SCR nazywany również półprzewodnikowym zaworem

sterowanym (SCR – ang. Semiconductor Controlled Rectifier), lub po prostu tyrystorem jest krzemową strukturą czterowarstwową p-n-p-n o trzech elektrodach.

Elektrody noszą nazwy: Anody – A, Katody – K i Bramki – G. Schematyczny przekrój tyrystora, budowę struktury jego złącz i symbol przestawiono na rysunku 1.1.

a)

b)

c)

K – katoda

G – bramka

K

K

G

N+

G

j1

P

n

j

p

2

N

n

j3

p

P+

A

A

A – anoda

Rys. 1.1. Tyrystor w przekroju (a), budowa struktury złącz (b) i symbol (c).

Rodzinę podstawowych charakterystyk tyrystora tj. zależność prądu anodowego IA

od napięcia anoda-katoda UAK przy różnych wartościach prądu bramki IG przedstawia rysunek 1.2.

3

IA

Stan włączenia

Stan blokowania

Prąd podtrzymania

IG3

IG2

IG1

IG0

IH

UAK

UP3

UP2

UP1

UP0

Napięcie przeskoku

Napięcie przeskoku

Stan wyłączenia (zapłonu) przy IG > 0 (zapłonu) przy IG = 0

Rys. 1.2. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora IA = f(UAK).

Na charakterystyce napięciowo-prądowej IA = f( UAK) można wyróżnić trzy zasadnicze stany pracy tyrystora:

• stan wyłączenia (zaworowy),

• stan blokowania,

• stan włączenia (przewodzenia)

Stan wyłączenia odpowiada polaryzacji zaporowej tyrystora („+” na katodzie,

„−” na anodzie). W tym zakresie pracy dwa złącza zewnętrzne j1 i j3 (oznaczenia jak na rysunku 1.1.) są spolaryzowane w kierunku zaporowym, a złącze wewnętrzne j2

w kierunku przewodzenia. Przez tyrystor płynie znikomo mały prąd wsteczny złączy j1, j3.

Stan blokowania odpowiada polaryzacji przewodzenia tyrystora („+”na anodzie,

„−”na katodzie). Pomimo polaryzacji anoda-katoda w kierunku przewodzenia (złącza zewnętrzne j1, j3 pracują w kierunku przewodzenia), prąd przez tyrystor nie płynie, ponieważ złącze j2 jest spolaryzowane zaporowo blokując przepływ prądu. Dopiero odpowiednio duże napięcie UAK, oznaczonym na rysunku przez UP0 powoduje przełączenie tyrystora w stan przewodzenia. Wartość napięcia przełączenia UP ( UP0,

UP1, UP2, UP3, itd.) można regulować prądem bramki IG ( IG0, IG1, IG2, IG3, itd.).

Napięcie UP (zależne od wartości natężenia prądu bramki), przy którym następuje przełączenia tyrystora w stan włączenia nosi nazwę napięcia przeskoku lub zapłonu.

Stan włączenia występuje również, (co oczywiste) przy polaryzacji tyrystora w kierunku przewodzenia („+”na anodzie, „−”na katodzie). Złącza zewnętrzne j1, j3

pracują nadal w kierunku przewodzenia, a złącze j2 pracuje w stanie przebicia nieniszczącego (analogicznie do diody lawinowej), przez tyrystor płynie prąd 4

anodowy o dużej wartości (praktycznie zależny jedynie od impedancji obciążenia).

Tyrystor pozostanie w stanie włączenia pomimo wyłączenia prądu bramki IG (nie ma możliwości wyłączenia tyrystora SCR prądem bramki nawet po zmianie polaryzacji).

Powrót do stanu blokowania nastąpić może jedynie po zmniejszeniu prądu anodowego poniżej pewnej wartości nazywanej prądem wyłączania lub podtrzymania IH..

Wyznaczając współczynnik nachylenia liniowego odcinka charakterystyki

napięciowo-prądowej w stanie włączenia można wyznaczyć rezystancję tyrystora w stanie załączenia RZ. W podobny sposób wyznacza się rezystancję tyrystora w stanie blokowanie RB (przy prądzie bramki IG = 0) oraz rezystancję w stanie wyłączenia RW dla kierunku zaporowego.

3. Badania i pomiary.

3.1. Określenie wielkości mierzonych.

Wielkościami mierzonymi są spadki napięć i prądy płynące przez tyrystor. Na podstawie danych pomiarowych wyznacza się charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora i bramki. Z analizy wykresów należy wyznaczyć podstawowe parametry pracy tyrystora: napięcie przeskoku (zapłonu), natężenie prądu podtrzymania, prąd i napięcie przełączające, oraz rezystancję w różnych stanach pracy tyrystora.

3.2. Wyznaczenie charakterystyk w kierunku przewodzenia.

3.2.1. Schemat stanowiska.

Charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora w kierunku przewodzenia

wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.3.

R

I

I

A

G

A

A

A

y

W1

W2

y

z

an

z

an

w

w

UAK

G

V

lo

V

lo

asilac

u

asilac

u

Z

Z

reg

K

UGK

reg

Rys.1.3. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo prądowej tyrystora w kierunku przewodzenia.

5

Przedstawiony na rysunku 1.3. układ umożliwia również pomiar prądu podtrzymania IH oraz pomiar napięcia UGT i prądu IGT przełączającego bramki. Pomiar napięcia UGT i prądu IGT dokonuje się przy określonym przez producenta napięciu anoda-katoda (przeważnie 6 V lub 12 V).

3.2.2. Przebieg ćwiczenia.

1. Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanych tyrystorów. Zanotować wartości dopuszczalne: maksymalny średni prąd przewodzenia – IAmax

(IT(AV)M), szczytowe napięcie pracy w stanie blokowania – UP0max ( UDWM), szczytowe wsteczne napięcie pracy – UWmax ( URWM), szczytowy prąd przewodzenia bramki – IGmax ( IFGM), szczytowe napięcie przewodzenia bramki

– UGKmax ( UFGM) oraz szczytową mocy strat bramki – PGmax. ( PFGM).

2. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.3.

3. Wyznaczyć dla kilku prądów bramki IG odpowiadające im wartości napięć przeskoku (zapłonu) tyrystora UP. ( Wartości natężeń prądu bramki IG poda prowadzący zajęcia).

4. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie włączenia

dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0 (wyłącznik W2 otwarty rys. 1.2).

( Napięcia anoda-katoda UAK należy zmniejszać od wartości maksymalnej, którą poda prowadzący do zera).

5. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.1.

6. Wyznaczyć średnią wartość anodowego prądu potrzymania – IH.

3.3. Wyznaczenie charakterystyk: blokowania i wyłączenia.

3.3.1. Opis stanowiska.

Charakterystykę blokowania i charakterystykę wyłączenia wyznacza się

w przedstawionym wcześniej układzie pomiarowym – rysunek 1.3. Charakterystyki wyznaczane są dla prądu bramki równego zero IG = 0.

3.3.2. Przebieg ćwiczenia.

1. Wyznaczyć

charakterystykę

napięciowo-prądową

tyrystora

w

stanie

blokowania dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego, IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0. ( Napięcia anoda-katoda UAK należy zwiększać do wartości maksymalnej, przy której następuje przeskok).

6

2. Wyznaczyć

charakterystykę

napięciowo-prądową

tyrystora

w

stanie

wyłączenia dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego, IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0, przy ujemnej polaryzacji UAK.

3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.2.

3.4. Wyznaczenie charakterystyki bramkowej.

3.4.1. Schemat stanowiska.

Charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w kierunku zaporowym wyznacza

się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.4 (W2 załaczony).

Rys.1.4. Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo prądowej obwodu bramki tyrystora.

3.4.2. Przebieg ćwiczenia.

1. Zestawić układ pomiarowy według rysunku 1.4.

2. Wyznaczyć charakterystykę bramkową tyrystora dokonując pomiarów zmian

napięcia bramka-katoda UGK w funkcji natężenia prądu bramki IG przy odłączonym obwodzie anodowym IA = 0. ( Wartość prądu przewodzenia bramki IGmax podaje prowadzący).

3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.3.

UWAGA:

Przed przystąpieniem do zajęć należy przygotować kartę pomiarową (wydruk

dwustronny na pojedynczej kartce A4 tabel pomiarowych, strony 9 i 10, niniejszej

instrukcji).

7

4.Opracowanie wyników pomiarów.

1. Wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w całym zakresie

pracy tzn. przy obu kierunkach polaryzacji i we wszystkich trzech stanach:

wyłączenia, blokowania i włączenia. (Należy wykorzystać wyniki pomiarów

zanotowanych we wszystkich tabelach z lewej strony oraz pomiary napięcia

przeskoku). Na wykresie zaznaczyć wartości natężeń prądów i napięć

charakterystycznych.

2. Wykreślić charakterystykę napięciowo-prądową bramki (wyniki pomiarów

zawarte są w tabeli 1.3.). Na charakterystyce nanieść zmierzone wartości napięcia przełączającego bramki – UGT i prądu przełączającego bramki – IGT.

3. Na podstawie charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora wyznaczyć:

RZ – rezystancję tyrystora w stanie załączenia dla kierunku przewodzenia,

RB – rezystancję tyrystora w stanie blokowanie

RW – rezystancję w stanie wyłączenia

4. Dokonać oszacowania niepewności pomiarów i błędów.

5. Sprawozdanie.

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, numer sekcji, nazwiska i imiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia).

2. Wymienione dane katalogowe badanych tyrystorów.

3. Schematy układów pomiarowych.

4. Tabele wyników pomiarowych ze wszystkich stanowisk (karta pomiarowa).

5. Wykresy wymienionych w punkcie 4 charakterystyk.

6. Określone w punkcie 4 rezystancje i wartości charakterystyczne prądów

i napięć ( prąd podtrzymania, napięcia przeskoku itp. ).

7. Uwagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od

przebiegów katalogowych, ewentualnych rozbieżności wyników dla różnych

egzemplarzy elementów itp.).

Literatura:

1. Praca zbiorowa.: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. WN-T, Warszawa 1995.

2. Horowitz P., Hill W.: Sztuka elektroniki tom I i II. WKiŁ, Warszawa 1996.

3. Krykowski K.: Energoelektronika. Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998.

8

TABELA 1.1.

Pomiar napięć przeskoku

Stan włączenia (dla IG = 0)

Lp.

IG

UP

IA

UAK

[mA]

[V]

[mA]

[V]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

IH [mA]

TABELA 1.3.

Stan blokowania (dla IG = 0)

Stan wyłączenia (dla IG = 0)

Lp.

IAK

UAK

IAK

UAK

[mA]

[V]

[mA]

[V]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

9

TABELA 1.2.

Charakterystyka bramkowa

Kierunek

przewodzenia

IG

UGK

Lp.

[mA]

[V]

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

12.

13.

14.

15.

16.

17.

18.

19.

NAZWISKA STUDENTÓW

GRUPA:

1. ……………………………………..

2. ……………………………………..

3. ……………………………………..

4. ……………………………………..

5. ……………………………………..

6. ……………………………………..

…………………………………………….

data: ……………………………………….

podpis prowadzącego

10