| ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРА И УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Электроэнергетика | Просмотров: 4054 | Комментирии: 0 | 29-12-2013 20:26 |
СКАЧАТЬ:
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРА И УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
• исследование вольтамперной характеристики и определение пара¬метров тиристора;
• получение семейства статических характеристик тиристора;• исследование работы регулируемого однополупериодного выпрями¬
теля.
2. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро¬сами:
• устройство, принцип действия и основные характеристики динистора [1, с. 62-65; 2, с. 63-65.],
• особенности конструкции и ВАХ тиристоров [1, с.65-67; 2, с.65-66.],
• схемы включения динистора и тиристора. [1, с. 64-65.],
• особенности конструкции и ВАХ симистора. [1, с. 67-68.],
• принципы построения схем управляемых выпрямителей на основе тиристора [1, с. 328-331; 2, с. 496-500.]
Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устой¬чивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором.. Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тири¬сторы - симисторы.
Динистор - это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода. Крайняя область р называется анодом, а другая крайняя часть n - катодом. Структура динистора приведена на рис. 2.1 а. Три p-n перехода динистора обозначены как J1, J2 и J3. Условное изображение динистора приведено на рис.2.1 б.
Рис.2.1. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)
Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на состав¬ляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 2.2. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому соединению внутри прибора возникает положи¬тельная обратная связь.
Рис. 2.2. Деление динистора на две структуры (а) и схема замещения (б)
Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J1, и J3. будут смещены в прямом направлении, а пере¬ход J2 - в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложе¬но к переходу J2. Пусть коэффициенты передачи по току эмиттера транзи¬сторов T1 и Т2 имеют значения α1 и α 2 соответственно.
Согласно схеме замещения (рис.2.2 б) ток через тиристор, равен сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки IК0
(2.1)
Ток во внешней цепи равен IЭ1=IЭ2=I, поэтому после подстановки I в (2.1) можно записать: I(1-α1- α2) =IК0. Отсюда получаем, что значение внешнего тока I равно:
(2.2)
Пока выполняется условие (α1+ α2)l динистор включается и начинает прово¬дить ток. Это и есть условие включения динистора.
Для увеличения коэффициентов передачи тока α1 или α2 в динисторе имеется единственный способ, состоящий в увеличении напряжения на его аноде. С ростом напряжения при U=Uвкл один из транзисторов перейдет в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.
После включения транзисторов динистор открывается и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Вольтамперная характеристика динистора приведена на рис. 2.3 а, а схема импульсного включения изображена на рис. 2.3 б.
Рис.2.3. Вольтамперная характеристика динистора (а)и схема его вклю-чения (б):UBКЛ- напряжение включения динистора, Uост - остаточное падение напряжения на открытом динисторе, IН - ток нагрузки, Iвыкл -ток выключения динистора, VD1 - полупроводниковый диод, VD2 - динистор, RH - сопротивление нагрузки, R - ограничивающее сопротивление, С -разделительный конденсатор, UПУСК-управляющий импульс
Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения Iвыкл или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 2.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме падение напряжения на динисторе уменьшается до нуля. В третьей схеме ток динистора понижается до Iвыкл включением добавочного резистора RД. В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напряжение противоположной по¬лярности при помощи конденсатора С.
Рис.2.4. Схемы выключения динистора: размыканием цепи (а), шунтиро-ванием прибора (б), снижением тока анода (в), подачей обратного на-пряжения (г): RH— сопротивление нагрузки, RД- добавочное сопротивле¬ние, С—разделительный конденсатор, К— ключ
Тиристор имеет структуру, аналогичную динистору, при этом одна из базовых областей сделана управляющей. Если в одну из баз подать ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора уве-личится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным \правлением. Расположение этих управляющих электродов и условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структура и условное графическое обозначение тиристора с катодным (а) и анодным (б) управлением
Существуют также запираемые тиристоры, особенность которых за-ключается в том, что при подаче сигнала на управляющий электрод тири¬стор переходит в закрытое состояние. Применение таких тиристоров огра¬ничено из-за того, что ток управляющего электрода в момент выключения приближается по величине к основному коммутируемому току.
Схема включения и вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис.2.6. Отличие от динистора состоит в том, что напря¬жение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.
Рис.2.6. Схема включения (а) и волътамперные Характеристики (б) тиристора
Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.
После включения управляющий электрод теряет управляющие свой¬ства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основ¬ные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора.
К основным статическим параметрам динисторов и тиристоров отно¬сятся:
• допустимое обратное напряжение UОБР,
• падение напряжения на приборе в открытом состоянии UПР при за-данном прямом токе;
• допустимый прямой ток IПР.
Основной областью применения динистров и тиристоров, является использование их в качестве электронных ключей в схемах переключения как постоянных, так и переменных электрических токов.
Рис. 2.7. Структура симметричного тиристора (а) и его условное графическое изображение (б) Рис.2.8. Вольтамперная характеристика симистора
Симистор - это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для соз¬дания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 2.7а, а его услов¬ное обозначение на рис. 2.7б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 2.8.
Как видно из вольтамперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управ¬ления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с об¬щим электродом управления.
Регулируемые выпрямители. Благодаря возможности управления моментом включения, тиристоры применяются в схемах управляемых вы-прямителей.
Простейшая схема регулируемого выпрямителя на одном тиристоре приведена на рис. 2.9а.
Для включения тиристора необходимо выполнить два условия: напряже¬ние на аноде тиристора должно быть положительным (но не превышающим напряжение UПР.ВКЛ и к управляющему электроду должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения сети ивх (рис.2.9б), а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подво¬дится отпирающий импульс иу (рис.2.9 в). После включения тиристора управ¬ляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому его выключение про¬изойдет, когда мгновенное напряжение на аноде станет равным нулю.
Форма импульсов напряжения ин на резистивной нагрузке RH без фильтра приведена на рис.2.9г. Очевидно, что момент включения тиристо¬ра можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, т. е. 0<α<π, где α - угол сдвига управляющего импульса относитель¬но момента uВХ=0, называемый углом включения. Таким образом, длитель¬ность включенного состояния тиристора определяется выражением:
(2.3)
где Т - период колебания входного напряжения uВХ
Рис. 2.9. Схема регулируемого выпрямителя (а) и диаграммы напряжений на его входе (б), управляющем электроде тиристора (в) и выходе (г)
Тогда среднее напряжение на нагрузке будет равно:
(2.4)
При этом если тиристор включается при α=0, то среднее выпрямлен¬ное напряжение на нагрузке UH.CP будет максимальным, а если α = π, то напряжение UH.CP=0. Такой способ управления тиристором называется фазоимпульсным.
3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
• базовый лабораторный стенд;
• лабораторный модуль Lab2A для исследования характеристик тиристора КУ112А и управляемого выпрямителя на его основе.
4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word.
Установите лабораторный модуль Lab2A на макетную плату лабора-торной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис.2.10.
При исследовании характеристик тиристора и управляемого выпря¬мителя используется схема, изображенная на рис.2.11
Рис. 2.10. Внешний вид модуля Lab2A для исследования характери¬стик тиристора и управляемого выпрямителя Рис. 2.11. Принципиальная электри-ческая схема для исследования ха-рактеристик тиристора и управ-ляемого выпрямителя
Загрузите и запустите программу Lab-2.vi.
После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать ра¬боту». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполне¬ния задания 1 (рис.2.12).
Рис. 2.12. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1
Задание 1. Исследование волътамперной характеристики тиристора
4.1.1. Установите с помощью ползункового регулятора, находящего¬ся на передней панели ВП, напряжение источника питания в цепи управ¬ляющего электрода Еупр примерно равным 0,5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости анодного тока Iа тиристора от напряжения на аноде Ua. Линия красного цвета соответствует режиму монотонного увеличении анодного напряжения Ua от 0 В до 10 В, а линия синего цвета - режиму монотонного уменьшения анодного напряжения от 10 В до 0 В при неизменном напря¬жении управления Еупр Отрезки пунктирных линий соответствуют не поддающимся измерению с помощью данного ВП разрывам на ВАХ в моменты переключения тиристора.
4.1.2. Постепенно уменьшая напряжение на управляющем электроде и каждый раз нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, определите и запишите в отчет минимальное напряжение источника ЭДС управления Eynр.min, при котором в условиях эксперимента происходит включение тиристора. Ориентируясь на показания цифровых индикаторов на передней панели ВП, определите и запишите в отчет результаты измерения тока управления Iупр, и напряжения на управляющем электроде Uупр, соответствующих данному режиму работы тиристора.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.
4.1.3. Определите величины анодного тока Iа и напряжения на аноде Uа в момент включения тиристора. Для этого, управляя с помощью ползункового регулятора Еа, расположенного на передней панели ВП, положением курсора на графике ВАХ, установите курсор на пологом участке восходящей ветви ВАХ около точки включения. Запишите в отчет показа¬ния амперметра Iа.вкл и вольтметра Uа.вкл.
4.1.4. Определите остаточное напряжение на тиристоре. Для этого с помощью ползункового регулятора Еа установите курсор на крутом участке ВАХ в точке, соответствующей анодному току Iа=10 мА. Запишите в отчет показания вольтметра Ua, соответствующие остаточному напряжению Uа.ост.
4.1.5. Определите ток и напряжение выключения тиристора. Для этого с помощью ползункового регулятора Еа установите курсор на крутом участке нисходящей ветви ВАХ около точки выключения. Запишите в отчет показа¬ния амперметра Iа, соответствующие току выключения Iа,выкл. и показания вольтметра Ua, соответствующие напряжению выключения Uа.выкл..
4.1.6. Постепенно увеличивая напряжение на управляющем электро¬де и, нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, опре¬делите и запишите в отчет напряжение на выходе источника ЭДС управле¬ния Еупр.тах, начиная с которого на ВАХ тиристора отсутствует пологий участок. Также определите и запишите в отчет соответствующие этому режиму ток управления Iупр, и напряжение на управляющем электроде Uynp.
4.1 7. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 2 (рис.2.13).
Рис. 2.13. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2
Задание 2. Получение семейства статических характеристик тиристора
4.2.1. С помощью цифровых элементов управления, расположенных на передней панели ВП, установите полученные при выполнении задания 1 минимальное Еупр.мах и максимальное Еупрмах значения напряжения на вы¬ходе источника ЭДС управления. Нажмите на панели ВП кнопку «Изме¬рение». На графическом индикаторе ВП появится изображение семейства статических характеристик тиристора, представляющих собой зависимости анодного тока от напряжения на аноде при фиксированных значениях тока управляющего электрода Iупр. Установившиеся при этом значения Iупр ото¬бражаются на поле графика в виде таблицы.
4.2.2. Скопируйте изображение семейства статических характери¬стик тиристора, полученное на графическом индикаторе, на страницу от¬чета. Средствами MS Word для каждой кривой отметьте соответствующие значения тока управления Iynp.
4.2.3. Для каждой полученной характеристики определите анодный ток Iа.вкл напряжение на аноде Ua.вкл в момент включения тиристора. Для этого используйте горизонтальную и вертикальную визирные линии, перемещаемые с помощью соответствующих ползунковых регуляторов «Y» и «X» снабженных цифровыми индикаторами для считывания показаний. Полученные результаты запишите в отчет.
4.2.4. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к заданию 3» на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 3 (рис.2.14).
Рис. 2.14. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3
■
Задание 3. Исследование работы управляемого однополупериодного выпрямителя
4.3.1. При выполнении данного задания используется входной сигнал синусоидальной формы. С помощью элементов управления ВП установите следующие параметры входного сигнала: частота примерно 200 Гц, амплитуда примерно 9,0 В. С помощью ползункового регулятора схемы правления (схема управления реализована в Lab VIEW программно) установите задержку импульсов управления относительно входного сигнала, соответствующую углу включения тиристора, равному примерно 90 градусов. На верхнем графическом индикаторе можно наблюдать изображение входного сигнала (синий цвет) и импульсов управления (красный цвет), на нижнем - выходное напряжение на нагрузке UH (синий цвет) и средний уровень этого напряжения Uн.ср., (красный цвет). Скопируйте изображения обоих графических индикаторов в отчет.
4.3.2. Определите диапазон изменения угла включения тиристора (αmin, αmax ), в котором средняя величина напряжения на нагрузке изменяется соответственно от максимального до минимального значения. Для этого с помощью ползункового регулятора схемы управления плавно изменяйте угол включения от 0 до 180 град., контролируя форму напряжения на нагрузке по графическому индикатору, а среднюю величину напряжения по цифровому индикатору Uн.ср. Полученные граничные значения угла включения и величины среднего напряжения на нагрузке запишите в отчет.
4.3.3. Установите с помощью регулятора схемы управления полу¬ченный в предыдущем пункте угол включения αmin при котором тиристор полностью открыт в течение положительных полуволн входного напряже¬ния. С помощью визирной линии графического индикатора «Y» выходного сигнала определите мгновенные значения напряжения на нагрузке, соот¬ветствующие моментам включения Uн.вкл., и выключения Uн.выкл., тиристора и максимальное мгновенное напряжение на нагрузке Uн.мах. Полученные значения запишите в отчет.
4.3.4. Сравните напряжение Uн.вкл., с напряжением Uа.вкл.,, полученным в п.4.1.3 , а напряжение Uн.выкл с напряжением Uа.выкл, полученным в п.4.1.5.
4.3.5. Вычислите разность между амплитудой входного сигнала и максимальным мгновенным напряжением на нагрузке ΔU=Uвx,m – Uн.мах. Сравните полученное значение с величиной остаточного напряжения тиристора Ua.ocm, определенное в п.4.1.4.
4.3.6. Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку «За-вершение работы».
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие полупроводниковые приборы называются тиристорами?
2. Изобразите структуру динистора.
3. Нарисуйте транзисторную схему замещения динистора.
4. При каком условии происходит включение динистора?
5. Какими способами можно обеспечить выключение динистора?
6. Чем отличаются конструкции тиристора от динистора?
7. Какие бывают разновидности тиристоров?
8. Каковы особенности ВАХ тиристора по сравнению с динистором?
9. Существуют ли отличия в способах выключения тиристора и динистора?
10. В чем состоят особенности конструкции и принципа работы симистора?
11. Как выглядит ВАХ симистора?
12. Каков принцип работы управляемого выпрямителя?
13. Насколько точно определены в работе параметры тиристора? От чего может зависеть качество подлеченных результатов?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7
ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТИРИСТОРА И УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Целью работы является:
• исследование вольтамперной характеристики и определение пара¬метров тиристора;
• получение семейства статических характеристик тиристора;• исследование работы регулируемого однополупериодного выпрями¬
теля.
2. СВЕДЕНИЯ, НЕОБХОДИМЫЕ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Перед началом работы полезно ознакомиться со следующими вопро¬сами:
• устройство, принцип действия и основные характеристики динистора [1, с. 62-65; 2, с. 63-65.],
• особенности конструкции и ВАХ тиристоров [1, с.65-67; 2, с.65-66.],
• схемы включения динистора и тиристора. [1, с. 64-65.],
• особенности конструкции и ВАХ симистора. [1, с. 67-68.],
• принципы построения схем управляемых выпрямителей на основе тиристора [1, с. 328-331; 2, с. 496-500.]
Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устой¬чивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытое, и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором.. Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тири¬сторы - симисторы.
Динистор - это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода. Крайняя область р называется анодом, а другая крайняя часть n - катодом. Структура динистора приведена на рис. 2.1 а. Три p-n перехода динистора обозначены как J1, J2 и J3. Условное изображение динистора приведено на рис.2.1 б.
Рис.2.1. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)
Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на состав¬ляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 2.2. При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря такому соединению внутри прибора возникает положи¬тельная обратная связь.
Рис. 2.2. Деление динистора на две структуры (а) и схема замещения (б)
Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J1, и J3. будут смещены в прямом направлении, а пере¬ход J2 - в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложе¬но к переходу J2. Пусть коэффициенты передачи по току эмиттера транзи¬сторов T1 и Т2 имеют значения α1 и α 2 соответственно.
Согласно схеме замещения (рис.2.2 б) ток через тиристор, равен сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки IК0
(2.1)
Ток во внешней цепи равен IЭ1=IЭ2=I, поэтому после подстановки I в (2.1) можно записать: I(1-α1- α2) =IК0. Отсюда получаем, что значение внешнего тока I равно:
(2.2)
Пока выполняется условие (α1+ α2)
Для увеличения коэффициентов передачи тока α1 или α2 в динисторе имеется единственный способ, состоящий в увеличении напряжения на его аноде. С ростом напряжения при U=Uвкл один из транзисторов перейдет в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.
После включения транзисторов динистор открывается и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Вольтамперная характеристика динистора приведена на рис. 2.3 а, а схема импульсного включения изображена на рис. 2.3 б.
Рис.2.3. Вольтамперная характеристика динистора (а)и схема его вклю-чения (б):UBКЛ- напряжение включения динистора, Uост - остаточное падение напряжения на открытом динисторе, IН - ток нагрузки, Iвыкл -ток выключения динистора, VD1 - полупроводниковый диод, VD2 - динистор, RH - сопротивление нагрузки, R - ограничивающее сопротивление, С -разделительный конденсатор, UПУСК-управляющий импульс
Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения Iвыкл или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 2.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме падение напряжения на динисторе уменьшается до нуля. В третьей схеме ток динистора понижается до Iвыкл включением добавочного резистора RД. В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напряжение противоположной по¬лярности при помощи конденсатора С.
Рис.2.4. Схемы выключения динистора: размыканием цепи (а), шунтиро-ванием прибора (б), снижением тока анода (в), подачей обратного на-пряжения (г): RH— сопротивление нагрузки, RД- добавочное сопротивле¬ние, С—разделительный конденсатор, К— ключ
Тиристор имеет структуру, аналогичную динистору, при этом одна из базовых областей сделана управляющей. Если в одну из баз подать ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора уве-личится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным \правлением. Расположение этих управляющих электродов и условные обозначения тиристоров приведены на рис. 2.5.
Рис. 2.5. Структура и условное графическое обозначение тиристора с катодным (а) и анодным (б) управлением
Существуют также запираемые тиристоры, особенность которых за-ключается в том, что при подаче сигнала на управляющий электрод тири¬стор переходит в закрытое состояние. Применение таких тиристоров огра¬ничено из-за того, что ток управляющего электрода в момент выключения приближается по величине к основному коммутируемому току.
Схема включения и вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис.2.6. Отличие от динистора состоит в том, что напря¬жение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.
Рис.2.6. Схема включения (а) и волътамперные Характеристики (б) тиристора
Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.
После включения управляющий электрод теряет управляющие свой¬ства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основ¬ные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора.
К основным статическим параметрам динисторов и тиристоров отно¬сятся:
• допустимое обратное напряжение UОБР,
• падение напряжения на приборе в открытом состоянии UПР при за-данном прямом токе;
• допустимый прямой ток IПР.
Основной областью применения динистров и тиристоров, является использование их в качестве электронных ключей в схемах переключения как постоянных, так и переменных электрических токов.
Рис. 2.7. Структура симметричного тиристора (а) и его условное графическое изображение (б) Рис.2.8. Вольтамперная характеристика симистора
Симистор - это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для соз¬дания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 2.7а, а его услов¬ное обозначение на рис. 2.7б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольт-амперная характеристика симистора приведена на рис. 2.8.
Как видно из вольтамперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управ¬ления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно-параллельно включенными тиристорами с об¬щим электродом управления.
Регулируемые выпрямители. Благодаря возможности управления моментом включения, тиристоры применяются в схемах управляемых вы-прямителей.
Простейшая схема регулируемого выпрямителя на одном тиристоре приведена на рис. 2.9а.
Для включения тиристора необходимо выполнить два условия: напряже¬ние на аноде тиристора должно быть положительным (но не превышающим напряжение UПР.ВКЛ и к управляющему электроду должно быть приложено положительное напряжение, соответствующее отпирающему току. Первое условие выполняется для положительных полуволн напряжения сети ивх (рис.2.9б), а для выполнения второго условия к управляющему электроду тиристора подво¬дится отпирающий импульс иу (рис.2.9 в). После включения тиристора управ¬ляющий электрод теряет управляющие свойства, поэтому его выключение про¬изойдет, когда мгновенное напряжение на аноде станет равным нулю.
Форма импульсов напряжения ин на резистивной нагрузке RH без фильтра приведена на рис.2.9г. Очевидно, что момент включения тиристо¬ра можно регулировать в пределах положительной полуволны напряжения сети, т. е. 0<α<π, где α - угол сдвига управляющего импульса относитель¬но момента uВХ=0, называемый углом включения. Таким образом, длитель¬ность включенного состояния тиристора определяется выражением:
(2.3)
где Т - период колебания входного напряжения uВХ
Рис. 2.9. Схема регулируемого выпрямителя (а) и диаграммы напряжений на его входе (б), управляющем электроде тиристора (в) и выходе (г)
Тогда среднее напряжение на нагрузке будет равно:
(2.4)
При этом если тиристор включается при α=0, то среднее выпрямлен¬ное напряжение на нагрузке UH.CP будет максимальным, а если α = π, то напряжение UH.CP=0. Такой способ управления тиристором называется фазоимпульсным.
3 ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА
В состав лабораторного стенда входят:
• базовый лабораторный стенд;
• лабораторный модуль Lab2A для исследования характеристик тиристора КУ112А и управляемого выпрямителя на его основе.
4. РАБОЧЕЕ ЗАДАНИЕ
Подготовьте шаблон отчета в редакторе MS Word.
Установите лабораторный модуль Lab2A на макетную плату лабора-торной станции NI ELVIS. Внешний вид модуля показан на рис.2.10.
При исследовании характеристик тиристора и управляемого выпря¬мителя используется схема, изображенная на рис.2.11
Рис. 2.10. Внешний вид модуля Lab2A для исследования характери¬стик тиристора и управляемого выпрямителя Рис. 2.11. Принципиальная электри-ческая схема для исследования ха-рактеристик тиристора и управ-ляемого выпрямителя
Загрузите и запустите программу Lab-2.vi.
После ознакомления с целью работы нажмите кнопку «Начать ра¬боту». На экране появится изображение ВП, необходимого для выполне¬ния задания 1 (рис.2.12).
Рис. 2.12. Лицевая панель ВП при выполнении задания 1
Задание 1. Исследование волътамперной характеристики тиристора
4.1.1. Установите с помощью ползункового регулятора, находящего¬ся на передней панели ВП, напряжение источника питания в цепи управ¬ляющего электрода Еупр примерно равным 0,5 В. Нажмите на панели ВП кнопку «Измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости анодного тока Iа тиристора от напряжения на аноде Ua. Линия красного цвета соответствует режиму монотонного увеличении анодного напряжения Ua от 0 В до 10 В, а линия синего цвета - режиму монотонного уменьшения анодного напряжения от 10 В до 0 В при неизменном напря¬жении управления Еупр Отрезки пунктирных линий соответствуют не поддающимся измерению с помощью данного ВП разрывам на ВАХ в моменты переключения тиристора.
4.1.2. Постепенно уменьшая напряжение на управляющем электроде и каждый раз нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, определите и запишите в отчет минимальное напряжение источника ЭДС управления Eynр.min, при котором в условиях эксперимента происходит включение тиристора. Ориентируясь на показания цифровых индикаторов на передней панели ВП, определите и запишите в отчет результаты измерения тока управления Iупр, и напряжения на управляющем электроде Uупр, соответствующих данному режиму работы тиристора.
Скопируйте изображение, полученное на графическом индикаторе на страницу отчета.
4.1.3. Определите величины анодного тока Iа и напряжения на аноде Uа в момент включения тиристора. Для этого, управляя с помощью ползункового регулятора Еа, расположенного на передней панели ВП, положением курсора на графике ВАХ, установите курсор на пологом участке восходящей ветви ВАХ около точки включения. Запишите в отчет показа¬ния амперметра Iа.вкл и вольтметра Uа.вкл.
4.1.4. Определите остаточное напряжение на тиристоре. Для этого с помощью ползункового регулятора Еа установите курсор на крутом участке ВАХ в точке, соответствующей анодному току Iа=10 мА. Запишите в отчет показания вольтметра Ua, соответствующие остаточному напряжению Uа.ост.
4.1.5. Определите ток и напряжение выключения тиристора. Для этого с помощью ползункового регулятора Еа установите курсор на крутом участке нисходящей ветви ВАХ около точки выключения. Запишите в отчет показа¬ния амперметра Iа, соответствующие току выключения Iа,выкл. и показания вольтметра Ua, соответствующие напряжению выключения Uа.выкл..
4.1.6. Постепенно увеличивая напряжение на управляющем электро¬де и, нажимая при этом кнопку «Измерение» для построения ВАХ, опре¬делите и запишите в отчет напряжение на выходе источника ЭДС управле¬ния Еупр.тах, начиная с которого на ВАХ тиристора отсутствует пологий участок. Также определите и запишите в отчет соответствующие этому режиму ток управления Iупр, и напряжение на управляющем электроде Uynp.
4.1 7. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к зада¬нию 2», на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выпол¬нения задания 2 (рис.2.13).
Рис. 2.13. Лицевая панель ВП при выполнении задания 2
Задание 2. Получение семейства статических характеристик тиристора
4.2.1. С помощью цифровых элементов управления, расположенных на передней панели ВП, установите полученные при выполнении задания 1 минимальное Еупр.мах и максимальное Еупрмах значения напряжения на вы¬ходе источника ЭДС управления. Нажмите на панели ВП кнопку «Изме¬рение». На графическом индикаторе ВП появится изображение семейства статических характеристик тиристора, представляющих собой зависимости анодного тока от напряжения на аноде при фиксированных значениях тока управляющего электрода Iупр. Установившиеся при этом значения Iупр ото¬бражаются на поле графика в виде таблицы.
4.2.2. Скопируйте изображение семейства статических характери¬стик тиристора, полученное на графическом индикаторе, на страницу от¬чета. Средствами MS Word для каждой кривой отметьте соответствующие значения тока управления Iynp.
4.2.3. Для каждой полученной характеристики определите анодный ток Iа.вкл напряжение на аноде Ua.вкл в момент включения тиристора. Для этого используйте горизонтальную и вертикальную визирные линии, перемещаемые с помощью соответствующих ползунковых регуляторов «Y» и «X» снабженных цифровыми индикаторами для считывания показаний. Полученные результаты запишите в отчет.
4.2.4. Нажмите на передней панели ВП кнопку «Перейти к заданию 3» на экране появится лицевая панель ВП, необходимая для выполнения задания 3 (рис.2.14).
Рис. 2.14. Лицевая панель ВП при выполнении задания 3
■
Задание 3. Исследование работы управляемого однополупериодного выпрямителя
4.3.1. При выполнении данного задания используется входной сигнал синусоидальной формы. С помощью элементов управления ВП установите следующие параметры входного сигнала: частота примерно 200 Гц, амплитуда примерно 9,0 В. С помощью ползункового регулятора схемы правления (схема управления реализована в Lab VIEW программно) установите задержку импульсов управления относительно входного сигнала, соответствующую углу включения тиристора, равному примерно 90 градусов. На верхнем графическом индикаторе можно наблюдать изображение входного сигнала (синий цвет) и импульсов управления (красный цвет), на нижнем - выходное напряжение на нагрузке UH (синий цвет) и средний уровень этого напряжения Uн.ср., (красный цвет). Скопируйте изображения обоих графических индикаторов в отчет.
4.3.2. Определите диапазон изменения угла включения тиристора (αmin, αmax ), в котором средняя величина напряжения на нагрузке изменяется соответственно от максимального до минимального значения. Для этого с помощью ползункового регулятора схемы управления плавно изменяйте угол включения от 0 до 180 град., контролируя форму напряжения на нагрузке по графическому индикатору, а среднюю величину напряжения по цифровому индикатору Uн.ср. Полученные граничные значения угла включения и величины среднего напряжения на нагрузке запишите в отчет.
4.3.3. Установите с помощью регулятора схемы управления полу¬ченный в предыдущем пункте угол включения αmin при котором тиристор полностью открыт в течение положительных полуволн входного напряже¬ния. С помощью визирной линии графического индикатора «Y» выходного сигнала определите мгновенные значения напряжения на нагрузке, соот¬ветствующие моментам включения Uн.вкл., и выключения Uн.выкл., тиристора и максимальное мгновенное напряжение на нагрузке Uн.мах. Полученные значения запишите в отчет.
4.3.4. Сравните напряжение Uн.вкл., с напряжением Uа.вкл.,, полученным в п.4.1.3 , а напряжение Uн.выкл с напряжением Uа.выкл, полученным в п.4.1.5.
4.3.5. Вычислите разность между амплитудой входного сигнала и максимальным мгновенным напряжением на нагрузке ΔU=Uвx,m – Uн.мах. Сравните полученное значение с величиной остаточного напряжения тиристора Ua.ocm, определенное в п.4.1.4.
4.3.6. Выключите ВП, для чего нажмите на панели ВП кнопку «За-вершение работы».
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какие полупроводниковые приборы называются тиристорами?
2. Изобразите структуру динистора.
3. Нарисуйте транзисторную схему замещения динистора.
4. При каком условии происходит включение динистора?
5. Какими способами можно обеспечить выключение динистора?
6. Чем отличаются конструкции тиристора от динистора?
7. Какие бывают разновидности тиристоров?
8. Каковы особенности ВАХ тиристора по сравнению с динистором?
9. Существуют ли отличия в способах выключения тиристора и динистора?
10. В чем состоят особенности конструкции и принципа работы симистора?
11. Как выглядит ВАХ симистора?
12. Каков принцип работы управляемого выпрямителя?
13. Насколько точно определены в работе параметры тиристора? От чего может зависеть качество подлеченных результатов?
Не Пропустите:
- Список лабораторных работ
- Лабораторные работы по workbench
- ОТЧЕТ Лабораторная работа № 1 по дисциплине «Системы искусственного интеллекта» на тему: «Применение нейронных сетей для решения задач классификации, аппроксимации функции и прогнозирования с помощью аналитического пакета Deductor»
- Лабораторная работа №2 Интерпретатор командной строки ОС MS Windows XP
- РЕФЕРАТ "Системы импульсно-фазового управления "