Міністерство освіти і науки україни

ЗАПОРІЗЬКИЙ АВІАЦІЙНИЙ КОЛЕДЖ ім. О.Г. Івченка

Спеціальність 5.090231

Затверджено:

Заступник директора з НВР

______________В.І.Сніжко «___»_____________2011р.

ІНСТРУКЦІЯ

до лабораторної роботи №1

ТИРИСТОРИ У ПРИСТРОЯХ ПРОМИСЛОВОЇ ЕЛЕКТРОНІКИ

З дисципліни «Електропривод та електрообладнання верстатів з ПУ та РТК»

Інструкцію розробив:

Викладач __________ (Підопригора О. А.)

Розглянуто на засіданні ПЦК:

спец технологічних та електронних дисциплін

Протокол № ___від «__»__________20__р.

Голова ПЦК _________/Рубашка І.В./

2011

1 МЕТА РОБОТИ:

Ознайомлення з основними властивостями і параметрами одноопераційного тиристора, способами його управління, вивчення принципу дії керованого однофазного випрямляча і електронного ключа постійного струму, освоєння методики експериментального визначення основних характеристик досліджуваних пристроїв.

2 ОБЛАДНАННЯ:

Програмний комплекс EWB 10.0

4 Теоретичні положення:

У сучасних електронних пристроях перетворення електричної енергії широке застосування в якості основних силових керованих елементів отримали напівпровідникові керовані діоди - тиристори, що володіють високими експлуатаційними властивостями: малими питомими габаритами і масою, високими ККД і швидкодією, тривалим терміном роботи, значними допустимими напругами і струмами, можливістю імпульсного управління. На основі тиристорів розроблені економічні, надійні малогабаритні керовані вторинні джерела електроживлення, широко використовувані в електроприводах, автоматики, робототехніки, системах управління і в багатьох інших випадках, коли потрібно регульоване постійне або змінну напругу незмінною або регульованої частоти.

Тиристором називають напівпровідниковий керований прилад ключового типу з чотиришаровою структурою р-п - р-n, що має тільки два стійких електричних стану - закрите або відкрите (вимкнений або увімкнений); перехід із закритого стану у відкрите, тобто включення тиристора, здійснюється по ланцюгу управління за допомогою малопотужного електричного сигналу управління. Вимкнений стан тиристора характеризується дуже великим значенням опору між анодом і катодом, а включений стан - дуже малим опором між анодом і катодом.

Існують тиристори, вимикання яких по ланцюгу управління проводитися не може, тому вони отримали назву одноопераційних, тобто неповністю керованих. Є й двухопераційні тиристори, однак через малопотужність вони знайшли обмежене застосування, в основному в пристроях автоматики.

Таким чином, тиристор в електричних ланцюгах є аналогом безконтактного вимикача.

Умовне графічне і буквене позначення одноопераційних тиристора з умовно позитивними напрямами струмів і напруг показано на рис.1.

Рис. 1

Рис. 2

Тиристор має три зовнішні висновки: анод А, катод К і керуючий електрод УЕ. Силовий ланцюгом тиристора, по якій проходить виключається (комутований) струм, є ділянка ланцюга А - К. Ланцюгом управління є ділянка УЕ - К. Включення тиристора можливо тільки при позитивному струмі управління IУ> 0, що проходить по ланцюгу управління, і позитивному напрузі між А та К, т.е.. UA > 0.

Властивості тиристора як елемента найпростішого електричного ланцюга (рис.2) ілюструються його статичної вольтамперной характеристикою (ВАХ), яка при зазначених позитивних напрямках струмів і напрузі представлена ​​на рис.2 б.Частина ВАХ в третьому квадраті (лінія OD) відповідає негативному, тобто зворотного, анодному напрузі, при якому тиристор завжди вимкнений незалежно від значення і напрямку струму управління. Якщо зворотна напруга перевищує значення UП, то тиристор виходить з ладу.

Якщо струм в ланцюзі управління відсутній, а пряме тиристора зворотне напруга не повинна перевищувати значення U_{ОБР max} , яке вказується в довідниках анодна напруга не перевищує напруги перемикання U_ПЕР (точка А), то тиристор вимкнений і струм в анодному ланцюзі незначний (лінія ОА). Якщо ж пряме анодна напруга перевищить значення U_ПЕР, то тиристор вмикається і анодний струм практично обмежується значенням R_H (див. рис.2а). При збільшенні струму управління включення тиристора відбувається при менших значеннях прямого анодної напруги. Після включення електричний стан тиристора характеризується малим опором між анодом і катодом (лінія ВС). Включений стан тиристора зберігається і після закінчення дії струму управління. Лише якщо анодний струм стає менше деякого значення, званого струмом утримання I_УД (точка В), то тиристор вимикається. При деякому значенні струму управління пряма гілка ВАХ тиристора стає аналогічної ВАХ некерованого діода (ділянка ОВС), тобто "Випрямляється"; цей струм називають струмом управління випрямлення I_{У СПР}. При негативних токах управління робота тиристорів не рекомендується.

На практиці зазвичай використовують імпульсний спосіб включення тиристорів, при якому струм управління формують у вигляді коротких (порядку декількох мікросекунд) позитивних імпульсів з великою швидкістю наростання. Після закінчення імпульсу управління тиристор залишається у включеному стані, якщо анодний струм, що залежить від напруги U та опір R_H (див. рис.2а), буде більше струму утримання I_УД.

Вимкнення тиристора відбудеться, якщо яким-небудь чином зменшити анодний струм до значення, меншого, ніж значення струму утримання I_УД. Існують різні схеми вимикання тиристорів, побудова яких багато в чому визначається принципом роботи конкретного електронного пристрою. Так, при роботі тиристора в колі змінного струму, коли напруга між анодом і катодом тиристора періодично змінює свій знак, тиристор закривається в момент переходу анодного струму через нульове значення (режим вільної комутації) і ніякої спеціальної схеми не потрібно. В колах постійного струму, для запирання тиристора вводять спеціальні елементи, що забезпечують короткочасне зменшення анодного струму до рівня, меншого, ніж струм утримання, що найчастіше здійснюють додатком до силового ланцюга тиристора зворотного анодної напруги. Таким елементом найчастіше є конденсатор.

Діапазон прямих струмів тиристорів становить від десятків міліампер до декількох сотень ампер, а діапазон напруг - від десятків вольт до декількох кіловольт. Довідковими параметрами тиристорів по струму є допустиме значення середнього струму у відкритому стані і максимальний допустимий постійний струм (див. координату по струму на рис.26). Параметром по напрузі тиристорів є максимально допустиме пряме напруга (U_{ПР max}), при якому тиристор буде закритий, якщо струм управління дорівнюватиме нулю. значення U_{ПР max} ≈ U_{ОБР max} .

Рис. 3

З інших найбільш істотних параметрів слід вказати зворотний струм тиристора, напруга і струм в ланцюзі управління, відповідні переходу тиристора із закритого стану у відкрите. Динамічні параметри тиристора оцінюють за часом включення t_ВКЛ, тобто переходу тиристора із закритого стану у відкрите, і часу вимикання t_ВЫКЛ . Величини t_ВКЛ і t_ВКЛ визначають частотні властивості тиристора і залежать від його типу.Час t_ВКЛ складає від 1 - 5 до 30 мкс, а час t_ВЫКЛ від 5 - 12 до 250 мкс.

У даній роботі досліджується найпростіший керований двухполуперіодний випрямляч однофазного напруги, зібраний за мостовою схемою (рис.3). Він містить тиристори VS1 і VS2, некеровані діоди VD1 і VD2 і блок управління, що формує імпульс управління i_У1 и i_У1 , синхронізовані з випрямляє змінну напругу U1. Навантаженням випрямляча є резистор R_H.

Розглянемо роботу випрямляча, використовуючи тимчасові діаграми (рис. 4). В інтервалі часу від 0 до Т / 2 напруга U1 позитивно. Струм навантаження протікає по ланцюгу (див. рис.3): точка a - VS1 - R_H - VD2 - точка б, починаючи з моменту часу t₁ , ктоді тиристор VS1 включається, оскільки в його ланцюга управління з'являється i_У1 > 0. Тиристор VS2 і діод VD1 будуть вимкнені, тому що до них докладено зворотне анодна напруга. В інтервалі часу від T / 2 до T напруга U1 негативно. Струм навантаження протікає по ланцюгу: точка б - VS2 - RH - VD1 - точка а, починаючи з моменту часу t₂ , коли тиристор VS2 включається, оскільки в його ланцюга управління з'являється i_У2 > 0 У цей час тиристор VS1 і діод VD2 будуть вимкнені, тому що до них докладено зворотне анодна напруга. Далі процеси періодично повторюються.

Рис. 4

Моменти включення тиристорів t1 t2 і оцінюють кутами включення α₁ та α₂, які, як правило, однакові (α₁= α₂= α) і відраховуються від моменту появи на відповідному тиристорі прямого анодної напруги. Таким чином, струм управління являє собою послідовність імпульсів, частота яких дорівнює частоті випрямляється напруги. Зі зміною кута включення α змінюється середнє значення випрямленої напруги на навантаженні U_Нср, яке виражається формулою.

(1)

Цю залежність прийнято називати регулювальної характеристикою керованого випрямляча U_НСР = f (α), за якою можна визначити діапазон зміни випрямленої напруги.

Властивості випрямного пристрою оцінюють також за його зовнішній характеристиці, яка для керованого випрямляча являє собою залежність U_НСР = f (I_НСР) при фіксованому значенні α..

Рис. 5

Електронний ключ постійного струму (мал. 5) містить основний тиристор VS1, послідовно з яких включена навантаження R_H.

При включенні VS1 навантаження підключається до джерела постійної напруги U. Включення VS1 відбувається при короткочасному натисканні кнопки управління S1. При цьому в ланцюзі управління тиристора протікає струм управління (вимірюється в міліампер), що обмежується резистором R1. Для виключення VS1, тобто для виключення навантаження, необхідно прикласти до VS1 негативне анодна напруга. Цю роль виконує конденсатор С, який при включенні додаткового ланцюга, що містить тиристор VS2 і резистор R_Д , підключається паралельно основному тиристору VS1. Додатковий тиристор включається короткочасним натисканням кнопки S2. Використання кнопок S1 та S2 в малопотужних колах керування тиристорів зумовило назву схеми: ключ постійного струму з кнопковим управлінням. Пояснимо роботу ключа з використанням тимчасових діаграм зміни електричних величин (рис.6).

Рис. 6

У вихідному стані кнопки S1 та S2 розімкнуті, тиристори VS1 і VS2 вимкнені (U_VS1 = U_VS2 = U) нагрузка выключена (U_H = 0, i_H = 0), конденсатор С розряджен (U_C = 0). При замиканні кнопки S1 в момент часу t включається тиристор VS1 (U_VS1 ≈ 0), навантаження підключається до джерела постійного струму (Uн = U), конденсатор починає заряджатися по ланцюгу: “+” U - R_Д – С – VS1 – “-” U з постійной часу заряду: Через напруга на конденсаторі стане рівним U, а полярність U_C буде позитивною. Такий стан схеми буде довго стійким.

Для виключення навантаження необхідно короткочасно натиснути на кнопку S2 (момент часу t2). При цьому відкривається тиристор VS2 і конденсатор виявляється підключеним через відкритий тиристор VS2 паралельно основному тиристору VS2. У момент часу t2 до VS1 прикладається зворотна анодна напруга, рівне напрузі на конденсаторі. Через деякий час ∆t протягом якого на тиристори буде зворотна анодна напруга, тиристор VS1 закриється, якщо ∆t ≥ t_ВЫКЛ, где t_ВЫКЛ - час вимкнення тиристора, що визначене в довідкових даних на тиристор. Конденсатор починає перезаряджатися по колу: “+” U – RН – С – VS2 – “-” U з постійною часу . Якщо ключ використовується в режимі кнопкового керування включенням і вимиканням навантаження, значення резистора Rд доцільно вибрати таким, щоб анодний струм тиристора VS2 в сталому режимі було менше струму утримання I_УД. Тоді після виключення VS1 вимикається також додатковий тиристор VS2 і схема повертається в початковий стан (спрощені тимчасові діаграми для цього випадку показані на рис.6.

Розглянутий електронний ключ може використовуватися також і в режимі імпульсного регулювання середнього значення напруги на навантаженні (широтно-імпульсна модуляція). У цьому випадку значення Rд повинно бути таким, щоб тиристор VS2 залишався відкритим після заряду конденсатора по ланцюгу: “+” U – R_Н – С – VS2 – “-” U до сталого значення, рівного U.

Рис. 7

Для забезпечення режиму імпульсного регулювання напруги на навантаженні використовують блок управління, з якого надходять імпульси i_У1 и i_У2 , включають тиристори VS1 і VS2 відповідно. Варіюючи часове зрушення між i_У1 та i_У2 (рис.7),тобто змінюючи значення φ за допомогоюс помощью резистора Rφ (див. рис.5), можна регулювати середнє значення напруги на навантаженні, визначається виразом

Такий спосіб регулювання U_Нср часто використовують для зміни частоти обертання двигунів постійного струму.

Перш ніж приступити до експериментальної частини, студенти зобов'язані знати послідовність виконання всіх етапів роботи.