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 inŜ. Michał Strozik
Sprawdził:
dr inŜ. Włodzimierz Ogulewicz
Zatwierdził: dr hab. inŜ. Janusz Kotowicz
Celem ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk napięciowo-prądowych jednego
z najwaŜniejszych przyrządów półprzewodnikowych znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce: tyrystora.
Znajomość charakterystyk napięciowo-prądowych umoŜliwia mierzącemu
wyznaczenie podstawowych parametrów elektrycznych w/w elementu.
2. Wprowadzenie:
Tyrystory, stosowane od końca lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, są najwaŜniejszymi 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) rozróŜnia się dwa podstawowe rodzaje tyrystorów:
tyrystory diodowe – dwuzaciskowe,
tyrystory triodowe – trójzaciskowe.
W grupie tyrystorów diodowych – dynistorów rozróŜnia 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 rozróŜnia 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 równieŜ 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 równieŜ 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. zaleŜność prądu anodowego IA
od napięcia anoda-katoda UAK przy róŜnych 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) moŜna wyróŜnić 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, poniewaŜ złącze j2 jest spolaryzowane zaporowo blokując przepływ prądu. Dopiero odpowiednio duŜe napięcie UAK, oznaczonym na rysunku przez UP0 powoduje przełączenie tyrystora w stan przewodzenia. Wartość napięcia przełączenia UP ( UP0,
UP1, UP2, UP3, itd.) moŜna regulować prądem bramki IG ( IG0, IG1, IG2, IG3, itd.).
Napięcie UP (zaleŜne od wartości natęŜenia prądu bramki), przy którym następuje przełączenia tyrystora w stan włączenia nosi nazwę napięcia przeskoku lub zapłonu.
Stan włączenia występuje równieŜ, (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 duŜej wartości (praktycznie zaleŜny jedynie od impedancji obciąŜenia).
Tyrystor pozostanie w stanie włączenia pomimo wyłączenia prądu bramki IG (nie ma moŜliwości wyłączenia tyrystora SCR prądem bramki nawet po zmianie polaryzacji).
Powrót do stanu blokowania nastąpić moŜe jedynie po zmniejszeniu prądu anodowego poniŜej pewnej wartości nazywanej prądem wyłączania lub podtrzymania IH..
Wyznaczając współczynnik nachylenia liniowego odcinka charakterystyki
napięciowo-prądowej w stanie włączenia moŜna 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 naleŜy wyznaczyć podstawowe parametry pracy tyrystora: napięcie przeskoku (zapłonu), natęŜenie prądu podtrzymania, prąd i napięcie przełączające, oraz rezystancję w róŜnych 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 umoŜliwia równieŜ 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 (przewaŜnie 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 natęŜeń prądu bramki IG poda prowadzący zajęcia).
4. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie włączenia
dokonując pomiarów natęŜenia 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 naleŜy 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 natęŜenia prądu anodowego, IA w funkcji zmian napięcia anoda-katoda UAK dla prądu bramki IG = 0. ( Napięcia anoda-katoda UAK naleŜy zwiększać do wartości maksymalnej, przy której następuje przeskok).
6
2. Wyznaczyć
charakterystykę
napięciowo-prądową
tyrystora
w
stanie
wyłączenia dokonując pomiarów natęŜenia 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 natęŜenia 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 naleŜy 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. (NaleŜy wykorzystać wyniki pomiarów
zanotowanych we wszystkich tabelach z lewej strony oraz pomiary napięcia
przeskoku). Na wykresie zaznaczyć wartości natęŜeń 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 rozbieŜności wyników dla róŜnych
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
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