ĆWICZENIE 10 BADANIE PARAMETRÓW STATYCZNYCH TYRYSTORA

Transkrypt

1 ĆWICZENIE 10 BADANIE PARAMETRÓW STATYCZNYCH TYRYSTORA CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości sterowanych elementów półprzewodnikowych, wykorzystujących struktury p - n - p - n, głównie tyrystorów. Zadaniem ćwiczenia jest także poznanie podstawowych metod badania tych elementów, jak również sposobów ich sterowania WPROWADZENIE Tyrystory tworzą grupę sterowanych elementów półprzewodnikowych, których wspólną cechą jest dwustanowość charakterystyki prądowo-napięciowej, tzn. elementy te mogą znajdować się w stanie zaporowym lub w stanie przewodzenia. Wprowadzenie tyrystorów do eksploatacji spowodowało, że stały się one jednymi z ważniejszych części składowych nowoczesnych urządzeń sterowania i regulacji. Tyrystor utorował drogę elektronice do techniki energetycznej zastępując takie urządzenia jak tyratrony i ignitrony. Z powodzeniem spełnia funkcje, które do tej pory były domeną dławików nasyconych i wzmacniaczy magnetycznych, nie ustępuje im trwałością, a w przypadku tyratronów i ignitronów znacznie je przewyższa. Jednocześnie tyrystor odznacza się bardzo dużą sprawnością energetyczną. Tyrystor jest elementem o strukturze czterowarstwowej p - n - p - n (Rys.10.1). Cztery warstwy tworzą trzy złącza J 1,J 2, J 3. Tyrystor zawiera trzy elektrody : A - anodę, K - katodę, G - bramkę (elektroda sterująca). Po przyłączeniu do tyrystora napięcia wstecznego (katoda +, anoda - ), środkowe złącze J 2 będzie spolaryzowane przepustowo, a dwa złącza zewnętrzne J 1 i J 2 w kierunku wstecznym, co praktycznie umożliwi przepływ prądu. Po przyłączeniu do tyrystora napięcia o biegunowości - anoda +, katoda -, zewnętrzne złącza J 1 i J 3 będą spolaryzowane przepustowo, a środkowe w kierunku wstecznym, co wyrazi się stanem blokowania tyrystora. Przy dodatniej polaryzacji anody względem katody charakterystyka prądowonapięciowa tyrystora ilustruje trzy stany pracy (Rys.10.2). Stan blokowania określają współrzędne punktu szczytowego U Bo, I Bo (bez prądu bramki) odpowiadające przełączaniu tyrystora, tj. napięcie przełączania i prąd przełączania. Współrzędne te zależą od prądu bramki, nieznacznie zaś od temperatury. Podstawowym parametrem katalogowym granicznym dla stanu blokowania jest największe robocze, Rys.10.1.Tyrystor: a) symbol graficzny, b) czterowarstwowa struktura tyrystora, c) reprezentacja tranzystorowa czterowarstwowej struktury tyrystora 1

2 Rys Charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora z prądem bramki I - stan blokowania II - stan przełączania III - stan przewodzenia szczytowe napięcie blokowania U DWM, przy czym rozróżnia się jego wartość powtarzalną U DRM oraz niepowtarzalną U DSM, przy czym są one mniejsze od U Bo. Stan przełączania - jest stanem niestabilnym i zachodzi wówczas, gdy do bramki tyrystora zostanie doprowadzony impuls prądowy. Zachodzi wówczas przełączenie tyrystora ze stanu blokowania do stanu przewodzenia. Stan przewodzenia charakteryzują graniczne parametry prądowe, przy czym podstawowym parametrem jest graniczny prąd przewodzenia I TM. Rozróżnia się jego wartość średnią i skuteczną, jak również jego wartość szczytową I TRM. Za niepowtarzalną wartość prądu głównego uznaje się największy zakłóceniowy prąd przeciążeniowy (udarowy) I TSM, jaki może przepłynąć przez tyrystor w określonym krótkim odcinku czasu. Przy ujemnej polaryzacji anody względem katody (obszar IV na Rys.10.2) mamy stan pracy zwany stanem zaporowym lub nieprzewodzenia. W tym stanie pracy, przez tyrystor płynie niewielki prąd wsteczny pod warunkiem nie przekroczenia największego szczytowego napięcia wstecznego U RWM. Rozróżniamy jego wartość powtarzalną U RRM i niepowtarzalną U RSM. Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, jest zwykle wywołane, jak już wspomniano uprzednio, doprowadzeniem do bramki dodatniego impulsu. Z tego względu jedną z najistotniejszych charakterystyk tyrystora jest charakterystyka napięciowoprądowa obwodu bramki, nazywana też charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania). Ze względu na duży rozrzut charakterystyk bramkowych wywołany procesem technologicznym (szczególnie przy produkcji metodą dyfuzyjno-stopową), podaje się dwie krzywe graniczne, pomiędzy którymi powinna leżeć charakterystyka wybranego egzemplarza danego typu. 2

3 Rys Obszar pracy obwodu bramki Na Rys.10.3 pokazano obszar pracy obwodu bramki. Wyodrębnić tam można : A - obszar niemożliwych przełączeń tyrystora, 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. B - obszar możliwych przełączeń (niepewne wyzwalanie), w którym można uzyskać przełączenia wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego typu. Obszar ten jest ograniczony : napięciem przełączającym bramki U GT i prądem przełączającym bramki I GT. C - obszar pewnych przełączeń tyrystorów, który wyznacza wartość napięć i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu. Wartość napięcia i prądu bramki podczas przełączania należy dobierać tak, aby punkt pracy leżał w tym obszarze i nie zostały przekroczone : maksymalne dopuszczalne napięcie bramki U FGM i maksymalny dopuszczalny prąd bramki I FGM. Krzywa P FGM oznacza największą szczytową moc przewodzenia bramki, przekroczenie której może spowodować uszkodzenie obwodu bramkowego tyrystora. Proces odwrotny - wyłączania tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub zaporowy, w zakresie normalnie występujących prądów przewodzenia, odbywa się przez zmianę kierunku napięcia anoda-katoda BADANIA Badania będą miały na celu wyznaczenie podstawowych charakterystyk i parametrów tyrystora. Zaleca się przeprowadzenie ćwiczenia przy użyciu tyrystorów małej lub średniej mocy, o niezbyt dużych wartościach prądów i napięć (np. tyrystory produkcji polskiej typu BTP2... BTP10) Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej Celem pomiaru jest wyznaczenie charakterystyki w stanie blokowania I D = f ( U D ) oraz w stanie wstecznym I R = f ( U R ). W układzie pomiarowym na Rys.3.4 tyrystor (BTP - 10) ze względu na niewielką moc badany jest prądem stałym. Regulacja napięcia zarówno dla stanu blokowania jak i wstecznego przeprowadzamy przy pomocy autotransformatora. Kierunek przyłożonego napięcia zmieniamy przy pomocy przełącznika P. 3

4 Rys Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki prądowo-napięciowej tyrystora w stanie blokowania i wstecznym Charakterystykę w stanie blokowania i wstecznym można wyznaczyć przy różnych wartościach prądu bramki I G. Z reguły producenci podają ją dla prądu bramki I G = 0. Przy pomiarze należy zwrócić uwagę, aby spadek napięcia na tyrystorze nie przekraczał wartości szczytowych napięć powtarzalnych w kierunku blokowania U DRM i wstecznym U RRM, podanych w katalogu przez producenta. Kondensator C w układzie spełnia wspólnie z rezystorem R rolę filtru prostowniczego. Jednocześnie rezystor ten musi mieć znacznie większą rezystancję od rezystancji tyrystora w stanie przewodzenia. Zapobiega to zniekształceniom prądu płynącego przez tyrystor. Pomiar przeprowadza się w następujący sposób. Tyrystor należy włączyć jak na Rys.10.4 i dla kierunku blokowania przełącznik P ustawić w poz. 1. Następnie zwiększamy napięcie wejściowe przy pomocy autotransformatora i odczytujemy wskazania miliamperomierza i woltomierza. Pomiary należy przeprowadzić możliwie szybko ze względu na straty mocy pochodzące z prądu upływu. Charakterystykę w kierunku wstecznym zdejmujemy identycznie zmieniając tylko polaryzację napięcia zasilającego tyrystor (przełącznik P w poz.2) Pomiar prądu przewodzenia Celem tego pomiaru jest wyznaczenia charakterystyki I T = f ( U T ) po załączeniu tyrystora impulsem prądu podanym na jego bramkę. W tym celu należy zestawić układ pomiarowy wg. Rys Rys.10.5.Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki tyrystora w kierunku przewodzenia Po włączeniu napięcia zasilającego zamyka obwód bramkowy kluczem K. Wytworzy się wówczas impuls napięcia bramkowego U G przez układ różniczkujący CR 1. Rezystor R 2 włączony pomiędzy bramkę i katodę spełnia rolę upływu zewnętrznego w celu wyeliminowania szkodliwego wpływu efektu stromości napięciowej (efekt stromości napięciowej polega na możliwości wy- 4

5 stąpienia przypadkowych niekontrolowanych przełączeń tyrystora przy zbyt dużej stromości narastania napięcia blokowania). Po podłączeniu układu do zasilacza i zamknięciu obwodu wyłącznikiem nastąpi załączenie tyrystora w kierunku przewodzenia. Z kolei obniżamy wartość prądu aż do wyłączenia tyrystora odczytując każdorazowo wyniki z amperomierza i woltomierza Wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej bramki Charakterystykę prądowo-napięciową bramki I FG = f (U FG ) wyznacza się przy odłączonym obwodzie anodowym (Rys.10.6). Rys Schemat układu pomiarowego do zdejmowania charakterystyki bramkowej. Czynności sprowadzają się do nastawienia określonej wartości napięcia bramka-katoda i pomiarze wartości płynącego prądu. Otrzymana charakterystyka winna być charakterystyką złącza p - n spolaryzowanego w kierunku przewodzenia. W czasie pomiarów należy zwracać uwagę, aby nie przekroczyć maksymalnej mocy bramki P FGmax Pomiar prądu przełączającego bramki I GT i napięcia przełączającego bramki U GT. Parametry wyzwalania bramkowego, a mianowicie prąd załączający I GT i napięcie załączające U GT mierzymy w układzie pomiarowym, którego schemat przedstawiono na Rys Pomiarów dokonuje się przy określonym napięciu anoda -katoda, podawanym przez producenta tyrystorów, zwykle 6-12V. Po nastawieniu wymaganej wartości napięcia anoda-katoda, zwiększa się przy pomocy rezystora R 3 napięcie bramki począwszy od 0V i obserwuje wskazania woltomierza V 1 do chwili, gdy napięcie między anodą i katodą obniży się gwałtownie ( V 2 ). Chwila ta odpowiada przejściu tyrystora ze stanu blokowania w stan przewodzenia. Wartość prądu i napięcia w obwodzie bramki odczytane w chwili wyzwolenia tyrystora stanowią odpowiednio - prąd przełączający bramki I GT i napięcie przełączające bramki U GT w danej temperaturze. Rezystor R 1 na schemacie ogranicza prąd anodowy tyrystora, natomiast dioda D zabezpiecza obwód bramkowy przed przypadkowymi ujemnymi napięciami. Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prądu i napięcia przełączania 5

6 Pomiar prądu podtrzymania I H Pomiar prądu podtrzymania I H przeprowadza się w układzie przedstawionym na Rys po włączeniu zasilania należy wcisnąć przycisk Z i do bramki doprowadzić napięcie U GT i prąd I GT o takiej wartości, aby tyrystor został załączony (miliamperomierz wskaże przepływ prądu). Następnie rozwieramy obwód bramki i stopniowo zmniejszamy wartość prądu anodowego przez zmniejszenie napięcia anoda-katoda U AK do chwili, gdy tyrystor przejdzie z powrotem w stan blokowania. Objawi się to gwałtownym zmniejszeniem prądu I A. Wartość prądu w chwili poprzedzającej wyłączenie tyrystora jest prądem podtrzymania I H, czyli najmniejszą wartością prądu anodowego niezbędną do utrzymania tyrystora w stanie przewodzenia. Rys Schemat układu pomiarowego do wyznaczania prądu podtrzymania tyrystora Rezystor R 1 w układzie ogranicza wartość prądu I A, układ R 2 C wytwarza impuls prądu bramkowego I G, natomiast rezystor R 3 włączony jest pomiędzy bramkę i katodę zgodnie z zaleceniami producenta, aby zapobiec zmianom parametrów charakterystycznych tyrystora. 6