POLITECHNIKA ŚLĄSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA I ENERGETYKI INSTYTUT MASZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LABORATORIUM ELEKTRYCZNE.

Transkrypt

1 POLITECHNIK ŚLĄSK WYDZIŁ INŻYNIERII ŚRODOWISK I ENERGETYKI INSTYTUT MSZYN I URZĄDZEŃ ENERGETYCZNYCH LBORTORIUM ELEKTRYCZNE Badanie tyrystora (E 9) Opracował: Dr inż. Włodzimierz OGULEWICZ

2 3 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 ww. elementu. 2. Wprowadzenie Tyrystory, stosowane od końca lat pięćdziesiątych ubiegłego wieku, są najważniejszymi elementami półprzewodnikowymi szeroko stosowanymi 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 liczbę elektrod (zacisków) rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje tyrystorów: o tyrystory diodowe dwuzaciskowe, o tyrystory triodowe trójzaciskowe. W grupie tyrystorów diodowych tzw. dynistorów rozróżnia się struktury: trójwarstwowe tryger-diak (dynistor dwukierunkowy symetryczny) [9], czterowarstwowe dioda Shockleya (dynistor jednokierunkowy), pięciowarstwowe diak (ang. DIC DIode for C) (dynistor dwukierunkowy symetryczny). W grupie tyrystorów triodowych tzw. 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),

3 4 tyrystor elektrostatyczny SITH (ang. Static Induction THyristor), tyrystor sterowany napięciowo MCT (ang. MOS Controlled Thyristor), pięciowarstwowe triak (ang. TRIC TRIode for C) (tyrystor dwukierunkowy symetryczny). W grupie tyrystorów występują również elementy optoelektroniczne: fototyrystor diodowy LS (ang. Light ctivated 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 mają tyrystor triodowy i triak 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 PNPN o trzech elektrodach. Elektrody noszą nazwy: anody, katody K i bramki G. Schematyczny przekrój tyrystora, budowę struktury jego złączy i symbol przedstawiono na rysunku 1.1. a) b) c) G bramka K katoda n p n p anoda G N + P N P + K j 1 j 2 j 3 G K Rys Tyrystor: w przekroju (a), budowa struktury złączy (b) i symbol (c) Rodzinę podstawowych charakterystyk tyrystora, tj. zależność prądu anodowego I od napięcia anoda-katoda U K przy różnych wartościach prądu bramki I G przedstawia rysunek 1.2.

4 5 I Stan włączenia Stan blokowania Prąd podtrzymania I G3 I G2 I G1 I G0 I H U K U P3 U P2 U P1 U P0 Stan wyłączenia Napięcie przeskoku (zapłonu) przy I G > 0 Napięcie przeskoku (zapłonu) przy I G = 0 Rys Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora I = f(u K ) Na charakterystyce napięciowo-prądowej I = f(u K ) 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 j 1 i j 3 (oznaczenia jak na rysunku 1.1.) są spolaryzowane w kierunku zaporowym, a złącze wewnętrzne j 2 w kierunku przewodzenia. Przez tyrystor płynie znikomo mały prąd wsteczny złączy j 1, j 3. Stan blokowania odpowiada polaryzacji przewodzenia tyrystora ( + na anodzie, - na katodzie). Pomimo polaryzacji anoda-katoda w kierunku przewodzenia (złącza zewnętrzne j 1, j 3 pracują w kierunku przewodzenia) prąd przez tyrystor nie płynie, ponieważ złącze j 2 jest spolaryzowane zaporowo blokując przepływ prądu. Dopiero odpowiednio duże napięcie U K, oznaczone na rysunku przez U P0, powoduje przełączenie tyrystora w stan przewodzenia. Wartość napięcia przełączenia U P (U P0, U P1, U P2, U P3 itd.) można regulować prądem bramki I G (I G0, I G1, I G2, I G3 itd.). Napięcie U P (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 j 1, j 3 pracują nadal w kierunku przewodzenia, a złącze j 2 pracuje w stanie przebicia nieniszczącego (analogicznie do diody lawinowej), przez tyrystor płynie prąd

5 6 anodowy o dużej wartości (praktycznie zależny jedynie od impedancji obciążenia) [8]. Tyrystor pozostanie w stanie włączenia pomimo wyłączenia prądu bramki I G (nie ma możliwości wyłączenia tyrystora SCR prądem bramki nawet po zmianie polaryzacji). Powrót do stanu blokowania może nastąpić jedynie po zmniejszeniu prądu anodowego poniżej pewnej wartości, nazywanej prądem wyłączania lub podtrzymania I H. Wyznaczając współczynnik nachylenia liniowego odcinka charakterystyki napięciowo-prądowej w stanie włączenia można wyznaczyć rezystancję tyrystora w kierunku przewodzenia R Z. W podobny sposób wyznacza się rezystancję tyrystora w stanie blokowanie R B (przy prądzie bramki I G = 0) oraz rezystancję w stanie wyłączenia R W 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 Wyznaczenie charakterystyk w kierunku przewodzenia Schemat stanowiska Charakterystyki napięciowo-prądowe tyrystora w kierunku przewodzenia wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.3. Zasilacz regulowany R V I W1 U K K G W2 U GK I G V Zasilacz regulowany Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora w kierunku przewodzenia

6 7 Przedstawiony na rysunku 1.3. układ umożliwia również pomiar prądu podtrzymania I H oraz pomiar napięcia U GT i prądu I GT przełączającego bramki. Pomiaru napięcia U GT i prądu I GT dokonuje się przy określonym przez producenta napięciu anoda-katoda (przeważnie 6 V lub 12 V) Przebieg ćwiczenia 1. Zaznajomić się z danymi katalogowymi badanych tyrystorów. Zanotować wartości dopuszczalne: maksymalny średni prąd przewodzenia I max (I T(V)M ), szczytowe napięcie pracy w stanie blokowania U P0max (U DWM ), szczytowe wsteczne napięcie pracy U Wmax (U RWM ), szczytowy prąd przewodzenia bramki I Gmax (I FGM ), szczytowe napięcie przewodzenia bramki U GKmax (U FGM ) oraz szczytową mocy strat bramki P Gmax (P FGM ). 2. Zestawić układ pomiarowy według rysunku Wyznaczyć dla kilku prądów bramki I G odpowiadające im wartości napięć przeskoku (zapłonu) tyrystora U P. (Wartości natężeń prądu bramki I G poda prowadzący zajęcia). 4. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie włączenia dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego I w funkcji zmian napięcia anoda-katoda U K dla prądu bramki I G = 0 (wyłącznik W2 otwarty rys. 1.2), (Napięcia anoda-katoda U K należy zmniejszać od wartości maksymalnej, podanej przez prowadzącego, do zera). 5. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.1. Kierunek Pomiar napięć przeskoku Stan włączenia (dla I G = 0) przewodzenia I G U P I U K Lp. V V itd. U K =... V U GT =...V I GT =. I H =... Tabela Wyznaczyć wartość anodowego prądu potrzymania I H, napięcie przełączające bramki U GT oraz prąd przełączający bramki I GT. (Wartości U GT oraz I GT

7 8 wyznaczyć dla napięcia anoda-katoda U K, które poda prowadzący zajęcia).wyznaczone wartości zanotować w ostatnim wierszu tabeli Wyznaczenie charakterystyk: blokowania i bramkowej Opis stanowiska Charakterystykę blokowania i charakterystykę bramkową wyznacza się w przedstawionym wcześniej układzie pomiarowym (rysunek 1.3.). Charakterystyka blokowania (w kierunku przewodzenia) wyznaczana jest dla prądu bramki równego zero I G = 0 (wyłącznik W2 otwarty, W1 zamknięty). Charakterystykę bramkową, czyli zależność I G = f(u GK ), wyznacza się natomiast przy odłączonym obwodzie anodowym I = 0 (wyłącznik W1 otwarty, W2 zamknięty) Przebieg ćwiczenia 1. Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie blokowania dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego I w funkcji zmian napięcia anoda-katoda U K dla prądu bramki I G = 0. (Napięcia anodakatoda U K należy zwiększać do wartości maksymalnej, przy której następuje przeskok). 2. Wyznaczyć charakterystykę bramkową tyrystora dokonując pomiarów natężenia prądu bramki I G w funkcji zmian napięcia bramka-katoda U GK przy odłączonym obwodzie anodowym I = 0. (Napięcia bramka-katoda U GK należy zwiększać do wartości maksymalnej prądu przewodzenia bramki I Gmax odczytanej z katalogu). 3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.2. Tabela 1.2 Kierunek Charakterystyka bramkowa Stan blokowania (dla I G = 0) przewodzenia I G U GK I U K Lp. V m V itd.

8 Wyznaczenie charakterystyki w kierunku zaporowym Schemat stanowiska Charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w kierunku zaporowym wyznacza się w układzie pomiarowym przedstawionym na rysunku 1.4. Zasilacz regulowany R V I U K K G Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora w kierunku zaporowym Przebieg ćwiczenia 1. Zestawić układ pomiarowy według rysunku Wyznaczyć charakterystykę napięciowo-prądową tyrystora w stanie wyłączenia (zaworowym) dokonując pomiarów natężenia prądu anodowego I w funkcji zmian napięcia katoda-anoda U K dla prądu bramki I G = 0. (Napięcia anoda-katoda U K należy zwiększać do wartości maksymalnej napięcia wstecznego tyrystora odczytanego z katalogu). 3. Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.3. Tabela 1.3 Kierunek zaporowy Stan wyłączenia (dla I G = 0) I U K Lp. m V itd.

9 10 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 1.2.). Na charakterystyce nanieść zmierzone wartości napięcia przełączającego bramki U GT i prądu przełączającego bramki I GT. 3. Na podstawie charakterystyki napięciowo-prądowej tyrystora wyznaczyć: R Z rezystancję tyrystora w stanie załączenia dla kierunku przewodzenia, R B rezystancję tyrystora w stanie blokowanie, R W rezystancję w stanie wyłączenia dla kierunku zaporowego. 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. 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.).