Методическое указания

к лабораторной работе № 2

по курсу “Электропреобразующие устройства приборов”

ТИРИСТОРЫ В УСТРОЙСТВАХ ПРОМЫШЛЕННОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

 

Цель работы - ознакомление с основными свойствами и параметрами однооперационного тиристора, способами его управления, изучение принципа действия управляемого однофазного выпрямителя и электронного ключа постоянного тока, освоение методики экспериментального определения основных характеристик исследуемых устройств.

Основные теоретические сведения

В современных электронных устройствах преобразования электрической энергии широкое применение в качестве основных силовых управляемых элементов получили полупроводниковые управляемые диоды - тиристоры, обладающие высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. На основе тиристоров разработаны экономичные, надежные малогабаритные управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других случаях, когда требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

Тиристором называют полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой р -п - р- n, имеющий только два устойчивых электрических состояния - закрытое или открытое (выключенное или включенное); переход из закрытого состояния в открытое, т.е. включение тиристора, осуществляется по цепи управления с помощью маломощного электрического сигнала управления. Выключенное состояние тиристора характеризуется очень большим значением сопротивления между анодом и катодом, а включенное состояние - очень малым сопротивлением между анодом и катодом.

Существуют тиристоры, выключение которых по цепи управления производиться не может, поэтому они получили название однооперационных, т.е. неполностью управляемых. Есть и двухоперационные тиристоры, однако из-за маломощности они нашли ограниченное применение, в основном в устройствах автоматики.

Рис.1

Рис.2

Таким образом, тиристор в электрических цепях является аналогом бесконтактного выключателя.

Условное графическое и буквенное обозначение однооперационного тиристора с условно положительными направлениями токов и напряжений показано на рис.1.

Тиристор имеет три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Силовой цепью тиристора, по которой проходит выключаемый (коммутируемый) ток, является участок цепи А – К. Цепью управления является участок УЭ – К. Включение тиристора возможно только при положительном токе управления I_У > 0, проходящем по цепи управления, и положительном напряжении между А и К, т.е.. U_A > 0.

Свойства тиристора как элемента .простейшей электрической цепи (рис.2а) иллюстрируются его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая при указанных положительных направлениях токов и напряжении представлена на рис.26.

Часть ВАХ в третьем квадранте (линия OD) соответствует отрицательному, т.е. обратному, анодному напряжению, при котором тиристор всегда выключен вне зависимости от значения и направления тока управления. Если обратное напряжение превышает значение U_П , то тиристор выходит из строя.

Если ток в цепи управления отсутствует, а прямое тиристора обратное напряжение не должно превышать значение U_{ОБР max} , которое указывается в справочниках анодное напряжение не превышает напряжения переключения U_ПЕР (точка А), то тиристор выключен и ток в анодной цепи незначительный (линия ОА). Если же прямое анодное напряжение превысит значение U_ПЕР , то тиристор включается и анодный ток практически ограничивается значением R_H (см. рис.2а). При увеличении тока управления включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения. После включения электрическое состояние тиристора характеризуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Лишь если анодный ток становится меньше некоторого значения, называемого током удержания I_УД (точка В), то тиристор выключается. При некотором значении тока управления прямая ветвь ВАХ тиристора становится аналогичной ВАХ неуправляемого диода (участок ОВС), т.е. “спрямляется”; этот ток называют током управления спрямления I_{У СПР} . При отрицательных токах управления работа тиристоров не рекомендуется.

На практике обычно используют импульсный способ включения тиристоров, при котором ток управления формируют в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов с большой скоростью нарастания. После окончания импульса управления тиристор остается во включенном состоянии, если анодный ток, зависящий от напряжения U и сопротивления R_H (см. рис.2а), будет больше тока удержания I_УД .

Выключение тиристора произойдет, если каким-либо образом уменьшить анодный ток до значения, меньшего, чем значение тока удержания I_УД . Существуют различные схемы выключения тиристоров, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так, при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим свободной коммутации) и никакой специальной схемы не требуется. В цепях постоянного тока для запирания тиристора вводят специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньшего, чем ток удержания, что чаще всего осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор.

Диапазон прямых токов тиристоров составляет от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер, а диапазон напряжений - от десятков вольт до нескольких киловольт. Справочными параметрами тиристоров по току являются допустимое значение среднего тока в открытом состоянии и максимальный допустимый постоянный ток (см. координату по току на рис.26). Параметром по напряжению тиристоров является максимально допустимое прямое напряжение {U_{ПР max}), при котором тиристор будет закрыт, если ток управления будет равен нулю. Значение U_{ПР max} ≈ U_{ОБР max} .

Рис.3

Из других наиболее существенных параметров следует указать обратный ток тиристора, напряжение и ток в цепи управления, соответствующие переходу тиристора из закрытого состояния в открытое. Динамические параметры тиристора оценивают по времени включения  t_ВКЛ , т.е. перехода тиристора из закрытого состояния в открытое, и времени выключения t_ВЫКЛ . Величины t_ВКЛ и t_ВКЛ определяют частотные свойства тиристора и зависят от его типа. Время t_ВКЛ составляет от 1 - 5 до 30 мкс, а время t_ВЫКЛ от 5 - 12 до 250 мкс.

В настоящей работе исследуется простейший управляемый двухполупериодный выпрямитель однофазного напряжения, собранный по мостовой схеме (рис.3). Он содержит тиристоры VS1 и VS2, неуправляемые диоды VD1 и VD2 и блок управления, формирующий импульс управления i_У1 и i_У1 , синхронизированные с выпрямляемым переменным напряжением U₁ . Нагрузкой выпрямителя является резистор R_H .

Рассмотрим работу выпрямителя, используя временные диаграммы (рис.4). В интервале времени от 0 до Т/2 напряжение U₁ положительно . Ток нагрузки протекает по цепи (см. рис.3): точка a - VS1 - R_H - VD2 - точка в, начиная с момента времени t₁ , когда тиристор VS1 включается, так как в его цепи управления появляется i_У1 > 0. Тиристор VS2 и диод VD1 будут выключены, так как к ним приложено обратное анодное напряжение.

В интервале времени от T/2 до T напряжение U₁ отрицательно. Ток нагрузки протекает по цепи: точка в – VS2 - R_H - VD1 - точка а , начиная с момента времени t₂ , когда тиристор VS2 включается, так как в его цепи управления появляется i_У2 > 0. В это время тиристор VS1 и диод VD2 будут выключены, так как к ним приложено обратное анодное напряжение. Далее процессы периодически повторяются.

Рис.4

Моменты включения тиристоров t₁ t₂ и оценивают углами включения α ₁ и α ₂, которые, как правило, одинаковы (α ₁= α ₂= α) и отсчитываются от момента появления на соответствующем тиристоре прямого анодного напряжения. Таким образом, ток управления представляет собой последовательность импульсов, частота которых равна частоте выпрямляемого напряжения. С изменением угла включения α изменяется среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке UН_ср , которое выражается формулой

   (1)

Эту зависимость принято называть регулировочной характеристикой управляемого выпрямителя U_НСР = f (α), по которой можно определить диапазон изменения выпрямленного напряжения.

Свойства выпрямительного устройства оценивают также по его внешней характеристике, которая для управляемого выпрямителя представляет собой зависимость U_НСР = f (I_НСР) при фиксированном значении α..

Рис.5

Электронный ключ постоянного тока (рис.5) содержит основной тиристор VS1, последовательно с которым включена нагрузка R_H .

При включении VS1 нагрузка подключается к источнику постоянного напряжения U. Включение VS1 происходит при кратковременном нажатии кнопки управления S1. При этом в цепи управления тиристора протекает ток управления (измеряется в миллиамперах), ограничиваемый резистором R1. Для выключения VS1, т.е. для выключения нагрузки, необходимо приложить к VS1 отрицательное анодное напряжение. Эту роль выполняет конденсатор С, который при включении дополнительной цепи, содержащей тиристор VS2 и резистор R_Д , подключается параллельно основному тиристору VS1. Дополнительный тиристор включается кратковременным нажатием кнопки S2. Использование кнопок S1 и S2 в маломощных цепях управления тиристоров обусловило название схемы: ключ постоянного тока с кнопочным управлением. Поясним работу ключа с использованием временных диаграмм изменения электрических величин (рис.6).

Рис.6

В исходном состоянии кнопки S1 и S2 разомкнуты, тиристоры VS1 и VS2 выключены (U_VS1 = U_VS2 = U) нагрузка выключена (U_H = 0, i_H = 0), конденсатор С разряжен (U_C = 0). При замыкании кнопки S1 в момент времени t включается тиристор VS1 (U_VS1 ≈ 0), нагрузка подключается к источнику постоянного тока (U_Н = U), конденсатор начинает заряжаться по цепи: “+” U - R_Д – С – VS1 – “-” U c постоянной времени заряда 

Через  напряжение на конденсаторе станет равным U, а полярность U_C будет положительной. Такое состояние схемы будет длительно устойчивым.

Для выключения нагрузки необходимо кратковременно нажать на кнопку S2 (момент времени t₂). При этом открывается тиристор VS2 и конденсатор оказывается подключенным через открытый тиристор VS2 параллельно основному тиристору VS2. В момент времени t₂ к VS1 прикладывается обратное анодное напряжение, равное напряжению на конденсаторе. Через некоторое время ∆t в течение которого на тиристоре будет обратное анодное напряжение, тиристор VS1 закроется , если ∆t ≥ t_ВЫКЛ , где t_ВЫКЛ - время выключения тиристора, указываемое в справочных данных на тиристор. Конденсатор начинает перезаряжаться по цепи: “+” U – R_Н – С – VS2 – “-” U с постоянной времени  Если ключ используется в режиме кнопочного управления включением и выключением нагрузки, значение резистора R_Д целесообразно выбрать таким, чтобы анодный ток тиристора VS2 в установившемся режиме был меньше тока удержания I_УД. Тогда после выключения VS1 выключается также дополнительный тиристор VS2 и схема возвращается в исходное состояние (упрощенные временные диаграммы для этого случая показаны на рис.6.

Рассмотренный электронный ключ может использоваться также и в режиме импульсного регулирования среднего значения напряжения на нагрузке (широтно-импульсная модуляция). В этом случае значение R_Д должно быть таким, чтобы тиристор VS2 оставался открытым после заряда конденсатора по цепи: “+” U – R_Н – С – VS2 – “-” U до установившегося значения, равного U.

Рис.7

Для обеспечения режима импульсного регулирования напряжения на нагрузке используют блок управления, с которого поступают импульсы i_У1 и i_У2 , включающие тиристоры VS1 и VS2 соответственно. Варьируя временной сдвиг между i_У1 и i_У2 (рис.7), т.е. меняя значение φ с помощью резистора R_φ (см. рис.5), можно регулировать среднее значение напряжения на нагрузке, определяемое выражением

Такой способ регулирования UН_ср часто используют для изменения частоты вращения двигателей постоянного тока.