Робота 21. Дослідження тиристорного регулятора напруги

21.1. Мета роботи

Ознайомитися з характеристиками та особливостями роботи тиристорів. Вивчити роботу тиристора в схемі регулювання напруги. Прослідкувати за зміною форми напруги при зміні кута керування.

21.2. Короткі теоретичні відомості

Тиристором називається напівпровідниковий прилад з трьома p-n переходами, на вольт-амперній характеристиці якого є ділянка з від'ємним диференціальним опором і котрий має два стійкі стани - закритий і відкритий. У закритому стані опір тиристора великий, а у відкритому - незначний.

Тиристори широко використовуються в електронних пристроях як керовані випрямлячі, перетворювачі частоти, регулятори змінного струму, порогові, комутуючі та підсилювальні елементи.

Тиристори поділяються на діодні (динистори), тріодні (тринистори), запірні і симетричні (симистори).

Рис. 21.1.

Діодні тиристори виготовляються з кремнію і мають шарувату p-n-p-n структуру (рис. 21.1,а). Крайні області структури називаються емітерами, а внутрішні - базами. Виводи, що мають омічні контакти з крайніми областями називаються анодом і катодом. Зовнішня напруга до динистора прикладається так, щоб крайні переходи П1 і П3 були відкриті, а середній П2 -закритий. В результаті, майже вся напруга живлення виявляється прикладеною до закритого передоду П2.

Для основних носіїв, інжктованих з емітерів в бази, поле переходу П2 є прискорюючим, тому деяка їх частина проходить через цей перехід, створюючи невеликий струм через закритий динистор. Рух носіїв через перехід П2 спричиняє зниження потенціального бар'єру переходу. При підвищенні прикладеної напруги струм через динистор спочатку майже не змінюється, аж поки напруга не досягне критичного значення рівного напрузі вмикання .

При цьому відбувається лавиноподібне зростання числа носіїв заряду через перехід П2 і різке зниження потенціального бар'єру до повного відкривання динистора. Струм через динистор різко зростає і обмежується лише опором навантаження, тобто динистор переходить із закритого стану у відкритий. Cпад напруги на відкритому динисторі значно зменшується. Подальше збільшення напруги живлення приводить до ще більшого зростання струму через динистор. На рис. 21.1,б. наведено вольт-амперну характеристику динистора. Ділянка ОА відповідає вимкненому (закритому) стану з великим диференціальним опором. Ділянка АБ є нестійкою з від'ємним диференціальним опором, ділянка БВ відповідає ввімкненому (відкритому) стану динистора з низьким диференціальним опором.

При зниженні прикладеної напруги струм через динистор зменшується і при досягненні другого критичного значення I_кр.2 тиристор переходить у закритий стан, а струм через нього практично припиняється.

Тріодні тиристори відрізняються від діодних додатковим керуючим електродом, введеним в p-область (рис. 21.2,а). За допомогою цього електрода можна керувати моментом ввімкнення тиристора, (а в запірних і моментом вимкнення), впливаючи на процес інжекції електронів з емітера в базу.

Рис. 21.2.

На рис. 21.2,б наведена сім'я вольт-амперних характеристик тринистора для різних величин струму керування. З рис. 21.2,б видно, що при зростанні струму керування напруга вмикання зменшується. Характеристика для співпадає з характеристикою динистора. При достатньо великому струмі керування , який називають струмом спрямлення, характеристика тиристора наближається до характеристики звичайного діода у прямому включенні. Вольт-амперні характеристики тиристорів при оберненому включенні не відрізняються від характеристик звичайних діодів.

Пошарову структуру p-n-p-n-типу можна розглядати як структуру з двох транзисторів p-n-p- та n-p-n-типів (рис. 21.3), в якій колектор одного транзистора є базою іншого і навпаки. Так як керуючий струм є одночасно і базовим для транзистора Т2, то він спричиняє появу його колекторного струму I_к2. Цей струм, у свою чергу, є базовим для транзистора Т1 і зумовлює появу його колекторного струму . Однак колекторний струм транзистора T1 є одночасно і базовим cтрумом транзистора T2, що створює замкнуте коло зворотного додатного зв'язку. Отже, при появі керуючого струму така система за рахунок внутрішнього додатного зворотного зв'язку може перекинутися в інший (відкритий) стан і перебувати у ньому навіть при припиненні керуючого струму. Ця властивість дозволяє відкривати тиристор за допомогою імпульсів струму, що широко використовується в тиристорних регуляторах напруги.

Рис. 21.3.

Використання тиристорів для регулювання випрямленої напруги зводиться до затримки на кут подачі керуючого імпульсу відносно початку додатної півхвилі напруги живлення в однофазних схемах. Цю затримку називають кутом або фазою керування. Змінюючи кут керування, змінюють середнє значення напруги за період. Тому схеми випрямлення керованих випрямлячів відрізняються від некерованих лише тим, що діоди замінені тиристорами.

До основних параметрів тиристора відносяться:

1. Напруга вмикання - основна напруга в точці вмикання.

2. Струм вмикання -основний струм в точці вмикання.

3. Утримуючий струм - найменший основний струм, при якому тиристор утримується у відкритому стані.

4. Напруга у відкритому стані - основна напруга у відкритому стані при вказаному струмі.

5. Відкриваючий постійний струм керування тиристором -мінімальне значення постійного струму керуючого електрода, яке забезпечує відкривання тиристора при вказаному режимі.

6. Максимально допустимий струм у відкритому стані - .

7. Максимально допустима зворотна напруга .

8. Максимально допустимий струм керуючого електрода .

9. Максимально допустима середня розсіювана потужність .

Середнє значення випрямленої напруги в однопівперіодній схемі випрямляння /18.5/

/21.1/

де середнє значення напруги при куті керування .

На рис. 21.4 наведена залежність середнього значен-

ня випрямленої напруги від кута керування , яке відповідає рівнянню /21.1/. Залежність назива-

ється регулювальною характе-

ристикою випрямляча.

Н а рис. 21.5 наведено часові діаграми змінної напруги живлення, прикладе-ної до схеми регулювання, та імпульсів струму через тирис-

Рис. 21.4. тор при куті керування, рівно-

му 90 градусів і активному навантаженні, із яких видно, що при збільшенні кута керування зменшується ширина імпульсів, що призводить до збільшення коефіцієнта пульсацій.

Щоби збільшити величину випрямленої напруги і зменшити

Рис. 21.5.

коефіцієнт пульсації використовують двопівперіодну мостову схему керованого випрямляча. Оскільки в мостовій схемі (рис. 18.7) послідовно з навантаженням увімкнені два діоди, то досить один із них замінити тиристором. Тоді середнє значення випрямленої напруги буде описуватись рівнянням /21.1/, але .

Для зменшення коефіцієнта пульсації в керованих випрямлячах як і в некерованих використовують згладжуючі фільтри.

Окрім однофазних схем керованих випрямлячів використовують трифазну з нульовим проводом і трифазну мостову схеми керованих випрямлячів. Вони мають менший коефіцієнт пульсації і використовують для живлення більш потужних споживачів.

В трифазних схемах випрямляння кут керування відраховують не від моменту переходу через нуль фазної напруги, а за умови рівності напруг на сусідніх фазах, яка має місце при куті . При цьому середнє значення випрямленої напруги і при зміні кута керування в межах 0...30⁰

. /21.2/

При середнє значення випрямленої напруги

. /21.3/

Із рівняння /21.3/ слідує, що межі зміни кута керування складають 150⁰, що дозволяє регулювати середнє значення випрямленої напруги від до нуля.