Zgryźliwość kojarzy mi się z radością, która źle skończyła.
POLITECHNIKA LUBELSKA
WYDZIAŁ MECHANICZNY
Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki
Temat ćwiczenia nr 12
Badanie tyrystora
1. Część teoretyczna
Tyrystor jest elementem elektronicznym zbudowanym z czterech warstw półprzewodników o różnym typie przewodnictwa, np. p-n-p-n.
1.1. Tyrystor triodowy blokujący wstecznie (tyrystor konwencjonalny).
Tyrystor triodowy blokujący wstecznie często nazywamy krótko tyrystorem (skrót od Thyratron - lampa gazowana, trioda i Resistor– rezystor) to element o jednokierunkowym przepływie prądu, zbudowany z czterech przemian ułożonych warstw półprzewodników typu p i n (rys.1.1).
Rys.1.1. Budowa, schemat i symbol tyrystora konwencjonalnego
Obecnie stosowane tyrystory mają napięcia wsteczne od 50 do 8000 V i prądy robocze od 0,4 do około 4500 A. Zewnętrzna warstwa półprzewodnika p nazywana jest anodą, a zewnętrzna warstwa półprzewodnika n katodą. Wewnętrzna warstwa półprzewodnika typu p najczęściej jest bramką. Poza tym rodzajem tyrystorów, w których bramka typu p jest sterowana względem katody, występują także tyrystory, w których bramka typu n jest sterowana względem anody. Wewnętrzna struktura tyrystorów zawiera trzy złącza półprzewodnikowe. Jeżeli między anodę i katodę przyłoży się napięcie, to zawsze któreś złącze jest spolaryzowane w kierunku zaporowym (rys. 1.2).
Rys.1.2. Polaryzacja tyrystora w kierunku przewodzenia i w kierunku zaporowym
Polaryzacja napięcia, przy którym tyrystor ma jedno złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym, nazywa się polaryzacją w kierunku blokowania. Polaryzacja napięcia, przy którym dwa złącza są spolaryzowane w kierunku zaporowym, nazywa się polaryzacją w kierunku zaporowym. Prąd bramki lG rozprzestrzenia w wewnętrznej warstwie półprzewodnika typu p ładunek i powoduje, że warstwa zaporowa zanika. Pozostałe dwa złącza półprzewodnikowe są spolaryzowane zgodnie z biegunowością napięcia anoda-katoda w kierunku blokowania lub w kierunku zaporowym i zachowują się podobnie jak złącze w diodzie półprzewodnikowej (rys. 1.3).
Rys.1.3. Charakterystyki anodowe tyrystora
Tyrystor działa jak dioda półprzewodnikowa, gdy tylko popłynie prąd bramki. Tyrystory można zatem wykorzystywać jako prostowniki sterowane lub łączniki bezstykowe. Jeżeli prąd sterujący zlikwiduje wewnętrzną warstwę zaporową (tyrystor jest załączony), to aby przerwać przepływ ładunków związanych z przepływem prądu głównego (obciążenia) i odzyskać właściwości zaworowe (wyłączyć tyrystor) należy zmienić kierunek prądu głównego. Właściwości zaporowe będą odzyskane dopiero wtedy, kiedy prąd główny zmniejszy się poniżej wartości prądu podtrzymania przewodzenia (rys.1.3). Tak nazywa się najmniejszy prąd przewodzenia, przy którym tyrystor będzie nadal w stanie przewodzenia. Jeżeli tyrystor pracuje w obwodzie prądu przemiennego, przy końcu każdej dodatniej półfali napięcia zasilającego prąd przewodzenia jest mniejszy od prądu podtrzymania IH i tyrystor wyłącza się. W tym przypadku możliwe jest dokładne sterowanie mocą (sterowanie grupowe, sterowanie fazowe).
Jeżeli prąd główny tyrystora zmniejszy się i osiągnie wartość poniżej wartości prądu podtrzymania przewodzenia lub zmieni kierunek, to tyrystor wyłączy się. W tym przypadku konieczne jest ponowne załączenie. Aby tyrystor odzyskał właściwości zaworowe, gdy prąd główny zmniejszy się i osiągnie wartość poniżej prądu podtrzymania przewodzenia, potrzebny jest pewien czas. W tym czasie wewnętrzne złącze p-n musi być pozbawione ładunku. Czas wyłączania wynosi najczęściej od 100 do 300 ms., w tak zwanych tyrystorach szybkich nawet 5 ms. Jeżeli przyłoży się napięcie blokowania (dodatnie napięcie anoda-katoda) przed załączeniem tyrystora, napięcie to odłoży się na środkowym złączu p-n. Ten stan pracy tyrystora nazywa się stanem blokowania. Podczas narastania napięcia blokowania przez tyrystor płynie prąd wsteczny oraz prąd ładujący pojemność złącza. Prąd ten jest tym większy, im szybciej narasta napięcie blokowania. Wewnętrzne złącze p-n może być tak silnie wzbogacone ładunkiem, że tyrystor załączy się (rys. 1.4).
Rys.1.4. Rozpływ prądu w tyrystorze podczas wyłączania
Przy polaryzacji tyrystora w kierunku przewodzenia napięcie blokowania nie może zbyt szybko narastać. Wartość stromości narastania napięcia tyrystorów leży w zakresie od 50 do 1000 V/ms. Prąd główny tyrystora również nie może narastać zbyt szybko, np. przy załączeniu obciążenia o charakterze pojemnościowym lub rezystancyjnym, ponieważ w tym przypadku „pastylka krzemowa” może ulec punktowemu przegrzaniu. Dopuszczalna wartość prędkości narastania prądu głównego w zależności od typu tyrystora zmienia się w przedziale od 100 do 1000 A/ms. W przypadku tyrystorów istotne jest, aby prędkości narastania napięcia blokowania i prądu głównego nie były większe od wartości dopuszczalnych. Tyrystory blokujące wstecznie pełnią rolę zaworów sterowanych w prostownikach lub łącznikach prądu stałego.
1.2. Tyrystor wyłączany prądem bramki GTO
Jeżeli po załączeniu tyrystora impulsem prądu na bramkę poda się impuls o przeciwnej polaryzacji, to w obwodzie bramki popłynie prąd przeciwny do prądu głównego tyrystora. Wyłączanie tyrystora przez impuls o przeciwnej polaryzacji niż impuls załączający jest możliwe w tyrystorach wyłączanych prądem bramki (GTO - Gate Turn Off Thyristor). Tyrystor ten ma specjalną strukturę (rys. 1.5).
Rys.1.5. Schemat i symbol tyrystora GTO
Podczas wyłączania prąd wymuszony impulsem wyłączającym będzie wstrzykiwany w strukturę trójwarstwową tak, że wyłączany tyrystor będzie zachowywał się podobnie jak tranzystor bipolarny, który nie jest wysterowany (jest wyłączony). Tyrystory GTO są załączane impulsem bramkowym o polaryzacji dodatniej i wyłączane impulsem bramkowym o polaryzacji ujemnej. Tyrystory wyłączane prądem bramki mogą być stosowane przy napięciach do 5000 V i prądach głównych do 3000 A. Częstotliwość przełączeń może osiągać wartość 10 kHz. Tyrystory GTO stosuje się w przekształtnikach z pośredniczącym obwodem prądu lub napięcia stałego (falowniki prądu lub napięcia) w zakresie mocy do 100 kW oraz w łącznikach prądu stałego.
1.3. Tyrystor symetryczny dwukierunkowy TRIAC
Do sterowania prądem przemiennym można zastosować tyrystory konwencjonalne połączone odwrotnie równolegle. Można w tym przypadku wykorzystać jeden tyrystor z bramką p (sterowany względem katody) i drugi z bramką n (sterowany względem anody). Obie struktury można wykonać w jednej „pastylce półprzewodnika” (rys. 1.6).
Rys.1.6. Schemat i symbol tyrystora dwukierunkowego
Uzyskuje się w ten sposób element półprzewodnikowy, który wykorzystuje właściwości układu odwrotnie równoległego, ale do sterowania potrzebuje tylko jednej elektrody. Przy dowolnej polaryzacji impulsu napięcia przyłożonego pomiędzy elektrodę sterującą i jedną z elektrod obwodu głównego (A1 lub A2) tyrystor załącza się niezależnie od zwrotu napięcia przyłożonego do obwodu głównego (rys. 1.7).
Rys.1.7. Charakterystyki tyrystora dwukierunkowego
Tyrystory, które mają możliwość załączenia dla obu kierunków przepływu prądu głównego, nazywają się tyrystorami symetrycznymi dwukierunkowymi lub triacami (Triac = Triode – element trojzaciskowy + AC – alternating current - prąd przemienny). TRIAC można załączyć w obwodzie prądu przemiennego lub stałego niezależnie od kierunku przepływającego prądu.
2. Część praktyczna
2.1. Badanie tyrystora konwencjonalnego – wyznaczanie prądu załączania
Należy połączyć obwód elektryczny według schematu z rysunku 2.1. Zwiększać napięcie UAK i dla poszczególnych jego wartości określić minimalny prąd bramki IB załączający tyrystor. W tym celu należy ustawiać odpowiednie wartości napięcia i powoli zwiększać prąd bramki, aby zauważyć przy jakiej jego wartości tyrystor zacznie przewodzić prąd IF.
Aby wyłączyć tyrystor należy zmniejszyć prąd bramki do minimum i przerwać jego obwód anodowy odłącznikiem. Wyniki pomiarów należy zamieścić w tabeli 2.1. Wykreślić charakterystyki IB=f(UAK) badanych tyrystorów na jednym wykresie.
Rys.2.1. Schemat obwodu do badania tyrystora
Tabela 2.1
Lp
Dane tyrystora:
Dane tyrystora:
-
UAK [V]
IB [mA]
UAK [V]
IB [mA]
...