Ćwiczenie nr 2

PRZEKSZTAŁTNIKI ENERGOELEKTRONICZNE:

tyrystorowy regulator mocy prądu przemiennego,

przekształtnik prądu stałego na prąd stały

1. Wprowadzenie

Jednym z najważniejszych przyrządów półprzewodnikowych w dziedzinie elementów przełączających średnich i dużych jest tyrystor. W literaturze nosi on nazwę zaworu sterowanego (SCR - Semiconductor Controled Rectifier). W literaturze polskiej najczęściej operuje się nazwą tyrystor. Nazwa ta utrwaliła się jako oznaczenie elementu trójkońcówkowego, przełączającego, o działaniu jednokierunkowym.

Tyrystory czterowarstwowe są przyrządami o działaniu jednokierunkowym, natomiast tyrystory o strukturze pięciowarstwowej (traki) są przyrządami półprzewodnikowymi o działaniu dwukierunkowym (o symetrycznej charakterystyce prądowo-napięciowej).

Tyrystor (rys. 1), zwany także sterowaną diodą krzemową, składa się z czterech warstw półprzewodnika PNPN (rys. 2b).

Rys 1. Przykłady typowych obudów tyrystorów: a) małej mocy; b) średniej mocy; c) dużej mocy

Trzy wyprowadzone na zewnątrz końcówki są dołączone do trzech warstw półprzewodnika: (rys. 2a,b) anoda A do skrajnej warstwy P₁, katoda K do skrajnej warstwy N₂ oraz trzecia końcówka, zwana bramką G, do wewnętrznej warstwy P₂. Taka struktura czterowarstwowa może być uważana za połączenie dwóch tranzystorów NPN i PNP (rys. 2d). Działanie tyrystora można prześledzić, korzystając z mo­delu dwutranzystorowego.

Rys. 2.Tyrystor: a) symbol: b), c) podstawowa struktura; d) model dwutranzystorowy

Napięcie zewnętrzne U_ak, przykładane między anodę i katodę, polaryzuje złącza emiter-baza (P₁N₁) i baza-kolektor (N₁P₂) tranzystora T1 w przeciw­nych kierunkach. Gdy anoda ma potencjał ujemny względem katody, to złącze P₁N₁ jest spolaryzowane wstecznie, a złącze N₁P₂ w kierunku przewo­dzenia.

W kierunku wstecznym jest spolaryzowane również złącze P₂N₂. W ob­wodzie anoda-katoda płynie niewielki prąd wsteczny (rzędu mikroamperów — rys. 3). W miarę zwiększania napięcia U_AK przy pewnej jego warto­ści U_BR następuje przebicie złącza P₁N₁, a następnie P₂N₂. W tym stanie pracy, nazywanym stanem wstecznym lub zaworowym, tyrystor zachowuje się więc jak dioda spolaryzowana wstecznie.

Rys. 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora

* Dla tyrystorów polskie normy przyjmują ozna­czenia: U_T — napięcie przewodzenia, U_R — napięcie wsteczne, U_D — napięcie blokowania, I_T — prąd przewodzenia, I_R — prąd wsteczny, I₀ — prąd blokowania.

Przy polaryzacji anody napięciem dodatnim względem katody są moż­liwe dwa stany: blokowania i przewodzenia (rys. 3). Jeżeli napięcie U_gk jest mniejsze niż napięcie progowe złącza baza-emiter tranzystora T2 (P₂N₂), to złącze to również nie przewodzi. W obwodzie anoda-katoda płynie prąd o wartości zbliżonej do wartości prądu wstecznego. Stan ten nazywa się stanem blokowania.

Należy jednak zwrócić uwagę, iż tranzystory T1 i T2 są połączone tak, że prąd kolektora tranzystora T2 jest prądem bazy tranzystora T1. Podobnie, prąd kolektora tranzystora T1 łącznie z prądem bramki I_G wysterowuje bazę tranzystora T2.

Jeżeli prąd bazy tranzystora T1 wzrasta, to zwiększa się prąd kolektora tego tranzystora. Pociąga to za sobą wzrost prądu bazy T2, co z kolei powoduje wzrost prądu kolektora T2, wzrost prądu bazy T1 itd. Proces zachodzi więc „lawi­nowo". Występuje tu zatem dodatnie sprzężenie zwrotne. To sprzężenie zwrotne powoduje wprowadzenie obu tranzystorów w stan nasycenia. Złącze N₁P₂ traci wtedy właściwości blokujące przepływ prądu, a tyrystor przechodzi w stan przewodzenia.

W zakresie przełączania napięcie na tyrystorze maleje mimo wzrostu prądu. Odpowiada to ujemnej rezystancji dynamicznej w ob­wodzie (rys. 3).

W stanie przewodzenia, gdy oba tranzystory są w stanie nasycenia, prąd w obwodzie anoda-katoda ma wartość zależną głównie od impedancji ob­ciążenia. Spadek napięcia na tyrystorze ulega niewielkim zmianom, przy dużych zmianach prądu anoda-katoda.

Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania w stan przewo­dzenia, jest możliwe po przekroczeniu określonej wartości napięcia i prądu anodowego.

Napięcie U_(bo) (rys. 3) nazywa się napięciem przełączania, a odpowiadający mu prąd I_(bo) — prądem przełączania, natomiast prąd I_Hs — prądem załączania.

Proces przełączania może być zainicjowany np. gwałtownym wzrostem napięcia anoda-katoda, wzrostem temperatury, oświetleniem struktury tyrys­tora itp. Najczęściej jednak w praktyce jest on wywołany przepływem prądu bramki I_G (wyzwalanie bramkowe). Wymaga to spolaryzowania złącza P₂N₂ w kierunku przewodzenia, a więc napięcie bramka-katoda powinno być większe niż napięcie progowe tego złącza. Napięcie przełączania U_(BO) jest funkcją prądu bramki (rys. 3).

Proces odwrotny — wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewo­dzenia w stan blokowania lub wsteczny, wymaga zmniejszenia prądu anodo­wego tyrystora do wartości tzw. prądu podtrzymania I_H (rys. 3) albo zmiany polaryzacji napięcia anoda-katoda.

W praktyce wykorzystuje się na ogół ten drugi sposób.

Ze względu na załączanie tyrystora jedną z ważniejszych charakterystyk jest charakterystyka napięciowo-prądowa obwodu bramki U_FG = f(I_fg), nazy­wana też charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania). Charak­terystykę tę (rys. 4) przedstawia się w postaci powierzchni zamkniętej, ograniczonej skrajnymi dla danego typu tyrystorów przebiegami. Powierzchnia taka obejmuje wszystkie egzemplarze danego typu tyrystora. Można w niej wyróżnić następujące obszary:

Rys. 4 Pole charakterystyk bramkowych tyrystora

1. Obszar nieprzełączania, czyli obszar zawierający takie wartości napięć i prą­dów bramkowych, które nie spowodują przełączenia żadnego egzemplarza tyrystora danego typu. Napięcie ograniczające ten obszar U_GD nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I_GD — prądem nieprzełączającym bramki.

2. Obszar możliwych przełączeń, w którym można uzyskać przełączenie wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego typu. Obszar ten jest ograniczony napięciem przełączającym bramki U_GT i prądem przełączającym bramki I_GD.

3. Obszar pewnych przełączeń, który wyznacza wartości napięć i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu. Obszar ten jest ograniczony szczytowym napięciem przewodzenia bramki U_fgm, szczy­towym prądem przewodzenia bramki I_fgm i szczytowymi stratami mocy w bramce P_gm. Wartości napięcia i prądu bramki podczas przełączania należy dobierać tak, aby punkt pracy leżał w tym obszarze.

4. Obszar możliwych uszkodzeń obwodu bramkowego, który znajduje się poza krzywą szczytowych wartości strat mocy w bramce. Takie warunki pracy obwodu bramki powinny być wyeliminowane.

Przełączanie tyrystorów z jednego stanu w drugi nie zachodzi natychmiast, ale trwa określony czas. Procesy przejściowe podczas przełączania charak­teryzują czas załączania i czas wyłączania tyrystora. Czasy te dla większości tyrystorów są rzędu mikrosekund. Podczas przełączania stromość narastania prądu przewodzenia i stromość narastania napięcia blokowa­nia nie powinny przekraczać wartości krytycznych.

Tyrystory stosuje się najczęściej w obwodach, w których płyną duże prądy i występują dość znaczne napięcia, np. w elektroenergetyce, trakcji elektrycz­nej, napędach elektrycznych, w układach regulacji o dużych mocach itd. Przy tego typu zastosowaniach duże znaczenie mają wartości graniczne prądów, napięć i mocy, których nie należy przekraczać podczas eksploatacji. Zależą one w znacznym stopniu od warunków pracy tyrystora, a więc temperatury otoczenia, warunków chłodzenia, kształtu i czasu trwania przebiegów napię­cia i prądu itp.

Sygnał wyzwalający doprowadzony do obwo­du sterującego powinien mieć odpowiedni po­ziom wynikający z charakterystyk bramkowych tyrystora.

Sygnał (impuls) bramkowy

Rys. 5 Prądy sterowania tyrystorów: a) impulsy pojedynczy, b) grupy impulsów

Układy wyzwalania tyrystorów, ze względu na relacje cza­sowe między napięciem zasilającym regulator a czasem prze­wodzenia tyrystora, można podzielić na układy wyzwalania fazowego i grupowego. Ilustruje to poniższy rysunek.

Odbiornik energii włączony szeregowo z tyrystorem pobiera prąd ze źródła zasilania przez część dodatniego półokresu na­pięcia zasilającego. Wartość przesunięcia fazowego między przejściem przez zero napięcia zasilającego a momentem wy­zwolenia określa tzw. kąt zapłonu (opóźnienia wysterowania).

kąt przewodzenia

Rys. 6 Zasada regulacji fazowej

P/P_max = (π - α + 1/2sin2α)/ π

Zmieniając kąt zapłonu a w granicach od 0° do 180^o można zmieniać moc wydzielaną na odbiorniku w zakresie 0 - 50 % mocy maksymalnej. Stosując tyrystor z układem prostownika mostkowego albo tyrystor dwukierunkowy (triak) zakres regulacji mocy można roz­szerzyć od 0 do 100%. Idea regulacji fazowej jest szeroko wykorzystywana, pewną niedogodnością jest fakt, że prąd odbiornika zmienia się w spo­sób skokowy w momencie zapłonu, powodując powstawanie zakłóceń radioelektrycznych. Dlatego też dla odbiorników o większej mocy i dużej bezwładności stosuje się układy regu­lacji grupowej. Polega ona na takim sterowaniu triakiem, aby prąd odbiornika płynął przez pewną całkowitą liczbę okresów napięcia zasilającego, a załączenie i wyłączenie następowało w chwilach przejścia przez zero napięcia zasilającego. Unika się w tym przypadku skokowych zmian prądu.

Rys. 7 Zasada regulacji grupowej

Metody sterowania zaworami przekształtnika prądu stałego na prąd stały.

Przekształtnik jak sama nazwa wskazuje służy do przekształcania, przetwarzania prądu stałego na prąd stały lecz o innej wartości średniej napięcia.
Stałe napięcie wejściowe przekształcane jest na ciąg impulsów prostokątnych
o stałej amplitudzie.

Regulacji napięcia wyjściowego możemy dokonywać w następujące sposoby:

1. Przez zmianę częstotliwości przy stałym czasie trwania każdego pojedynczego impulsu - rysunek 8.

Rys. 8 Regulacja wartości średniej napięcia poprzez zmianę częstotliwości;

t_z = const, t_w = var, t_z + t_w = var, f = 1/(t_z + t_w) = var.

Przy niskiej częstotliwości przełączania występuje duża wartość składowej zmiennej: pulsacje napięcia i prądu.

2. Przez zmianę czasu trwania impulsów i stałej częstotliwości
   (modulacja szerokości impulsu - MSI, lub regulacja współczynnika wypełnienia - z ang. Pulse Width Modulation - PWM) - rysunek 9.

Rys. 9 Regulacja wartości średniej napięcia przez zmianę szerokości impulsów PWM;
t_z = var, t_w = var, t_z + t_w = const, f = 1/(t_z + t_w) = const.

Mała składowa zmienna występuje przy niskich i wysokich częstotliwościach przełączania. Zależność na wyjściu z metody PWM pokazuje rysunek 10.
Maksimum występuje przy współczynniku wypełnienia równym 50%.

Rys. 10 Zależność na wyjściu przy metodzie PWM

3. Szerokości impulsów t_z są niezmienne, zaś zmienia się odstęp między nimi,
   tj. czas przerw (wyłączenia) t_w - rysunek 11.

Rys. 11 Regulacja średniej wartości napięcia przez zmianę okresów przerw między impulsami;

t_Z = const, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

4. Zmieniana szerokość impulsu t_Z i przerwy t_W - rysunek 12.

Rys. 12 Regulacja napięcia przez zmianę czasu załączania i wyłączania;

t_Z = var, t_W = var, t_Z + t_W = var, f = 1/(t_Z + t_W) = var.

Mogą też być różne kombinacje tych metod, ale w praktyce do regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego najczęściej korzysta się z metody drugiej,
czyli regulacji impulsowej z bezpośrednim wymuszeniem prądu twornika, za pomocą tzw. regulatora PWM.

Konfiguracja układu regulatora PWM (z ang. Pulse Width Modulation).

Układ analogowego modulatora szerokości impulsu składa się z generatora drgań piłokształtnych i komparatora. Częstotliwość przebiegu piłokształtnego, równa częstotliwości łączeń f_S, jest tu wielkością niezależną o wartości w granicach od kilku herców do kilkudziesięciu kHz.

Prosty przykład realizacji tej metody sterowania pokazuje rysunek 13.

Rys. 13 Zasada modulacji szerokości impulsów (PWM), w przekształtniku prądu stałego na prąd stały.

Porównanie wytwarzanego przez generator przebiegu piłokształtnego z sygnałem sterującym doprowadzonym z wyjścia regulatora lub z zadajnika prowadzi do uzyskania na wyjściu komparatora przebiegu o kształcie impulsów prostokątnych i nastawianym współczynniku wypełnienia (stosunku czasu załączenia sterowanego tranzystora do okresu powtarzania).

2. Program ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z zasadą działania podstawowych układów energoelektronicznych stosowanych w obwodach prądu stałego i prądu przemiennego oraz poznanie wpływu różnego rodzaju obciążenia na przebieg czasowy napięcia i prądu wyjściowego.

• Opis stanowiska pomiarowego

Schemat stanowiska pomiarowego do badania tyrystorowego regulatora mocy w obwodzie prądu przemiennego przedstawiono na poniższym rysunku.

• Obserwacja i rejestracja przebiegów napięć i prądów w układzie tyrystorowego regulatora mocy.

Korzystając z oscyloskopu dwukanałowego, zaobserwować przebiegi napięć w układzie: U_we, U_tyr, U_obc, , oraz prądu obciążenia I_obc dla różnych wartości kąta opóźnienia wysterowania i przy różnym rodzaju obciążenia (obciążenie czysto rezystancyjne, rezystancyjne nieliniowe - żarówka, obciążenia rezystancyjno-indukcyjne R-L).

W sprawozdaniu zamieścić przebiegi czasowe napięć i prądów.

• Pomiar charakterystyki sterowania tyrystorowego regulatora mocy w obwodzie prądu przemiennego

Metodyka pomiarów:

Zmieniając za pomocą potencjometru wartość kąta opóźnienia zapłonu tyrystora, za pomocą oscyloskopu mierzymy wartość czasu opóźnienia wysterowania tyrystora i obliczamy wartość kąta opóźnienia wysterowania α (czas 1ms opóźnienia na osi X oscyloskopu odpowiada kątowi 18^o ).

Za pomocą amperomierza i woltomierza odczytujemy wartość mierzonego prądu i napięcia na zaciskach obciążenia rezystancyjnego. Wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli.

Tabela pomiarów:

Lp.	Obciążenie rezystancyjne
		czas opóźn. [ms]	kąt opóźn. α [ ^o ]	Ityr śr [A]	Uobc [V]	Iobc [A]
1	0
2	1
3	2
4	3
5	4
6	5
7	6
8	7
9	8
10	9
11	10

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów wykreślić na jednym wykresie charakterystykę zmian wartości prądu i napięcia na obciążeniu w funkcji kąta opóźnienia wysterowania U_obc = f(α) i I_obc = f(α) oraz prądu tyrystora I_{tyr śr} (miernik wartości średniej).

W sprawozdaniu wykreślić również charakterystykę mocy pozornej na obciążeniu (jako iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu) w funkcji kąta opóźnienia wysterowania

P_obc = f(α).

4. Przekształtnik prądu stałego na prąd stały.

Schemat blokowy układu przekształtnika prądu stałego na prąd stały, sterującego prędkością obrotową silnika prądu stałego przedstawiono na rysunku poniżej.

Schemat układu regulacji prędkości obrotowej silnika prądu stałego, poprzez zmianę częstotliwości i modulację szerokości impulsu PWM.

Sygnał sterujący bramką tranzystora MOSFET wytworzony jest w modulatorze szerokości impulsów, zrealizowanym na komparatorze i generatorze przebiegu trójkątnego o przestrajanej częstotliwości.

Generator przebiegu trójkątnego o przestrajanej częstotliwości.

Wytworzone napięcie w generatorze funkcyjnym o przebiegu trójkątnym
i regulowanej częstotliwości, porównane zostaje za pomocą komparatora z napięciem stałym. Na wyjściu z komparatora otrzymujemy prostokątny przebieg napięcia,
o regulowanej częstotliwości i zmienianym współczynniku wypełnienia szerokości impulsu (PWM). Następnie sygnał wyjściowy z komparatora podawany jest na bramkę tranzystora MOSFET. Zmieniając częstotliwość sterowania, lub wypełnienie szerokości impulsu (PWM), zmieniamy wartość średnią napięcia zasilającego silnik prądu stałego, a tym samym prędkość obrotową silnika.

W urządzeniu o zasilaniu bateryjnym występuje problem wytworzenia dwóch napięć stabilizowanych, symetrycznych względem potencjału masy, z jednego źródła. W tym celu można podzielić to napięcie na dwie części, w żądanym stosunku. Jako układ dzielący można zastosować dzielnik napięcia, którego odczep połączony jest z masą. Takie rozwiązanie jest tym lepsze, im mniejsze są rezystancje dzielnika napięcia. Zmniejszenie rezystancji powoduje jednak znaczny wzrost mocy traconej w dzielniku. Dlatego lepiej jest zastąpić dzielnik dwoma tranzystorami, z których każdorazowo przewodzi ten, który leży po mniej obciążonej stronie.

Odpowiedni układ zastosowany w modelu pokazuje poniższy rysunek.

Dzielnik napięcia zbudowany z dwóch rezystorów R₁ dzieli napięcie U_ZZ na połowy. Rezystory dzielnika mogą mieć duże wartości rezystancji, ponieważ są obciążone tylko wejściowym prądem polaryzacji wzmacniacza operacyjnego. Jeżeli środek dzielnika
ma potencjał równy zeru, to napięcie U_ZZ dzieli się w stosunku 1:1 na dodatnie i ujemne napięcie wyjściowe.

Symetryzacja nieuziemionego źródła napięcia.

a) Obserwacja na oscyloskopie przebiegu napięcia sterującego tranzystorem przekształtnika

b) Obserwacja na oscyloskopie przebiegu prądu obciążenia (prądu silnika).

W sprawozdaniu zamieścić przebiegi napięcia i prądu dla dwóch wartości częstotliwości nośnych układu PWM.

Pytania kontrolne

1. Zasada działania, charakterystyki sposoby włączenia i wyłączenia tyrystora.

2. Zasada działania regulacji fazowej i grupowej.

3. Charakterystyka i zastosowanie symistora (triaka) oraz tyrystora MCT.

4. Metody sterowania zaworami przekształtników.

5. Zasada działania falownika 3-fazowego i prostownika sterowanego (regulatora mocy).

Literatura

Rajchert J. i inni : „Tyrystory i ich zastosowanie”. WKŁ.

Kaźmierkowski M. Matysik J. „Podstawy elektroniki i energoelektroniki”. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej. W-wa 1993.

Kaźmierkowski M. Wójciak A. ”Układy sterowania i pomiarów w automatyce przemysłowej”. WKiŁ.

Wawrzyński W. „Podstawy współczesnej elektroniki”. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej. W-wa 2003.

Tunia H., Winiarski B. „Podstawy energoelektroniki”, WNT.

Borczyński J. „Podzespoły elektroniczne - Półprzewodniki. Poradnik”. WKiŁ

---