Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa im. Szymona Szymonowica w Zamościu Elektronika i elektrotechnika
Mechanika i Budowa Maszyn	Rok akademicki: 2013/2014
Temat: Badanie tyrystorów

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenia charakterystyk napięciowo- prądowych jednego z najważniejszych przyrządów półprzewodnikowych znajdujących zastosowanie w elektroenergetyce: tyrystora. Znajomość charakterystyk napięciowo- prądowych umożliwia mierzącemu wyznaczanie podstawowych parametrów elektrycznych w/w elementu.

1. Budowa tyrystora

Tyrystor, nazywany także diodą sterowaną, jest krzemowym elementem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej p-n-p-n (rys. 1). Elektrody wyprowadzone od skrajnych warstw tworzą odpowiednio anodę (A) i katodę (K). Elektroda wyprowadzona ze środkowego obszaru typu p nazywa się bramką (B). Przy odłączonej bramce (otwarty łącznik W na rys. 1b) tyrystor nie przewodzi prądu nawet przy dodatniej polaryzacji anody względem katody (tzn. do anody przyłączony jest dodatni biegun źródła napięcia, a do katody ujemny). Nieprzewodzenie tyrystora związane jest z zaporowym działaniem bariery potencjału, która znajduje się między obszarami n i p. Obszary n i p tworzą zwykłą diodę półprzewodnikową. Dioda ta spolaryzowana jest zaporowo tzn. do obszaru n przyłożony jest biegun “+”, zaś do obszaru p biegun “-”.

Wytwarza się więc bariera potencjału, która zobrazowana jest na rys.1b jako z. Bariera ta nie dopuszcza do przepływu nośników między anodą i katodą tyrystora, w obwodzie zewnętrznym nie ma przepływu prądu. Wystarczy jednak wywołać krótki impuls prądu w obwodzie bramki, zamykając na chwilę łącznik W, aby wprowadzić tyrystor w stan przewodzenia. Po wejściu tyrystora w stan przewodzenia bramka traci własności sterownicze, a zatem otwarcie łącznika w obwodzie bramki nie przerywa prądu anodowego.

Wyłączenie tyrystora można spowodować wyłączeniem napięcia anodowego, zmianą jego polaryzacji lub zmniejszeniem prądu anodowego poniżej pewnej wartości krytycznej, zwanej prądem podtrzymania. Wprowadzenie tyrystora w stan przewodzenia impulsem prądu bramki nazywa się wyzwalaniem bramkowym.

Rys. 1. Tyrystor: a) symbol graficzny, b) struktura czterowarstwowa, c-d) schemat zastępczy jako analogia dwutranzystorowa.

1. Działanie tyrystora

Tyrystor jest nazywany prostownikiem sterowanym, ze względu na podobieństwa do

diody. Jest to element czterowarstwowy o strukturze p-n-p-n posiadający trzy elektrody:

anodę, katodę i bramkę. Rysunek 4.1 przedstawia graficzny symbol tyrystora, jego strukturę

czterowarstwową oraz zastępczy układ diodowy.

1. Zastosowanie tyrystorów

Tyrystory znalazły zastosowania w wielu dziedzinach. Jako sterowniki prądu stałego są stosowane w stabilizatorach napięcia stałego i w automatyce silników prądu stałego. Jako sterowniki prądu przemiennego – w automatyce silników indukcyjnych i w technice oświetleniowej. Jako łączniki i przerywacze prądu stałego i przemiennego – w automatyce napędu elektrycznego, końcowe tory falowników, układach stabilizacji napięcia i w technice zabezpieczeń. Jako przemienniki częstotliwości – w automatyce silników indukcyjnych, technice ultradźwięków, w urządzeniach zapłonowych silników spalinowych, gdzie ma duże znaczenie szybkość narastania prądu w cewce zapłonowej, a więc płynącego przez tyrystor - od tego zależy wysokość indukowanego przez nią napięcia.

Są stosowane w energetycznych układach przekształtnikowych najwyższych napięć i mocy. Przykładem tego jest stacja przekształtnikowa w Ustce zasilająca stałoprądowy kabel podmorski łączący polski system energetyczny ze szwedzkim na napięcie znamionowe 400 kV.

Były stosowane w stopniach mocy układów odchylenia poziomego strumienia elektronowego w kineskopach telewizorów np. pierwszy kolorowy Neptun 501A, skąd zostały jednak szybko i całkowicie wyparte przez tranzystory impulsowe z powodu niekorzystnych właściwości układów tyrystorowych

1. Sposoby wyzwalania Tyrystorów

Rysunek 5.1 przedstawia układy sterowania prądu przemiennego z użyciem tyrystora

i triaka, które pełnią funkcję elementów regulujących w sposób ciągły energię elektryczną do

odbiornika. Regulacja mocy odbywa się na zmianie wartości skutecznej napięcia i prądu przy

stałej wartości skutecznej napięcia zasilania.

Praca tyrystora bądź triaka charakteryzuje się dwoma stanami- przewodzenia i zaporowym, które mogą być wyzwalane impulsami bramkowymi synchronizowanymi z napięciem zasilającym. Wówczas taki układ wykorzystuje regulację fazową( regulowane opóźnienie załączenia elementu półprzewodnikowego względem momentu przejścia przez zero napięcia zasilania) lub regulację grupową(rozłączenie w momencie przejścia przez zero napięcia zasilania lecz z opóźnianiem okresów). Dodatkowo istnieje możliwość załączania wymienionych elementów półprzewodnikowych wartością prądu bramki. Sterowanie fazowe umożliwia regulację wartości skutecznej prądu i napięcia na odbiorniku w każdym okresie napięcia zasilania, natomiast sterowanie grupowe w wybranym interwale czasu.

W praktyce występują trzy najczęściej stosowane metody wyzwalania tyrystora:

-napięciem stałym

-napięciem przemiennym

-za pomocą impulsu

1. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora

Rys. 2. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora

1. Typy tyrystorów

Najczęściej spotykane są tyrystory jednokierunkowe zwane tyrystorami triodowymi(SCR), są to elementy trójelektrodowe z wyprowadzoną anodą-A, katodą-K i bramką-G(elektroda sterująca), przewodzące tylko w jednym kierunku od anody do katody.

Tyrystory triodowe przewodzące w jednym kierunku stanowią grupę, do której zaliczyć można: tyrystor włączany i wyłączany bramką, tyrystor sterowany światłem(fototyrystor) oraz tyrystor wykonany metodą planarną z jednostronnym rozłożeniem warstw p-n-p-n (SUS). Tyrystory triodowe przewodzące w obu kierunkach posiadają strukturę pięciowarstwową, są to simistory, wyzwalane impulsami bramkowymi o polaryzacji dodatniej bądź traki, wyzwalane na przemian impulsami o polaryzacji dodatniej i ujemnej.

Tyrystory diodowe jednokierunkowe lub dwukierunkowe, które przechodzą w stan przewodzenia na skutek przekroczenia napięcia progowego to m.in. dioda Shockley’a(dynistor)-przewodząca w jednym kierunku i diak- przewodzący w obu kierunkach.

Rys. 3. Elementy półprzewodnikowe przełączające o strukturze cztero- i pięciowarstwowej