5. Обробка результатів, оформлення звіту та висновки по роботі

5.1. Звіт повинен містити:

- назву лабораторної роботи та її мету;

- принципові схеми лабораторних макетів;

- заповнені таблиці вимірювань;

- осцилограми напруг у контрольних точках;

- результати розрахунків;

- висновки по кожному пункту досліджень.

5.2. Користуючись результатами вимірювань, визначити пряме падіння напруги на випрямних діодах для кожної схеми випрямлення. Цей параметр визначається як різниця амплітуд напруг на вході випрямлячів і на активному навантаженні за формулами (для різних випрямлячів):

, , .

Для мостових схем випрямлення отриманий результат відноситься до послідовно з’єднаних двох діодів. Зробити висновки.

5.3. Користуючись осцилограмами напруги на виходах випрямлячів, визначити частоту (період) пульсацій. Враховуючи значення опору та ємності навантаження, розрахувати сталу часу навантаження і з урахуванням отриманого значення проаналізувати результати та зробити висновки.

5.4. За формулою (3.1) визначити коефіцієнти пульсацій випрямленої напруги для різних схем випрямлення і двох режимів навантаження. Експериментально визначена амплітуда змінної складової U_зм у таблицях позначена U_П. Проаналізувати результати та зробити висновки.

6. Контрольні запитання

1. Пояснити різницю між однопівперіодною та двопівперіодною схемами випрямлення.

2. Основні параметри випрямлячів.

3. Дати визначення і пояснити фізичну сутність коефіцієнта пульсацій випрямленої напруги.

4. Пояснити призначення та принцип роботи згладжувального фільтра.

5. В яких випадках доцільно застосовувати RC-фільтри, а в яких LC-фільтри? Обгрунтувати підходи.

6. Дати визначення і пояснити фізичну сутність коефіцієнта згладжування пульсацій згладжувальних фільтрів.

7. Як впливає на ефективність згладжування пульсацій випрямленої напруги величина сталої часу активно-ємнісного навантаження?

8. Виходячи з принципу роботи згладжувальних фільтрів, пояснити залежність їх згладжувальних властивостей від типу випрямного пристрою.

9. Дати основні порівняльні характеристики RC- і LC-фільтрів.

10. На основі аналізу принципових схем випрямлячів визначити величини зворотних напруг, які діють на вентилі.

11. Пояснити принцип визначення частоти пульсацій випрямленої напруги. Навести значення частот пульсацій для різних схем випрямлення.

Лабораторна робота №4 «Дослідження регуляторів потужності на тиристорі і симисторі»

Мета роботи – вивчення особливостей роботи тиристорів і симисторів в колах постійного і змінного струму.

4.1 Короткі теоретичні відомості

4.1.1 Визначення, види тиристорів

Тиристором називають напівпровідниковий прилад, основу якого складає чотиришарова структура, здатна перемикатися із закритого стану у відкритий і навпаки.

Найпростішим тиристором є діністор - некерований перемикаючий діод, що представляє собою чотиришарову структуру типу p-n-p-n (рис. 4.1). Тут, як і в інших типів тиристорів, крайні p-n-переходи називаються емітерними, а середній p-n-перехід - колекторним. Внутрішні області структури, що лежать між переходами, називаються базами. Електрод, що забезпечує електричний зв'язок із зовнішньою n-областю, називається катодом, а з зовнішньої p-областю - анодом.

На відміну від несиметричних тиристорів (діністоров, тріністоров) в симетричних тиристорах (симисторах) зворотна гілка ВАХ має вигляд прямої гілки. Це досягається зустрічно-паралельним включенням двох однакових чотиришарових структур або застосуванням п'ятишарових структур з чотирма p-n-переходами.

а) б)

Рисунок 4.1 - Структура динистора (а) та тринистора (б)

Позначення на схемах: симистора, динистора та тріністора показано на рис.4.2.

а) б) в)

Рисунок 4.2 - Позначення на схемах: а) симистора б) динистора в) тріністора.

4.1.2 Принцип дії

При включенні динистора за схемою, наведеною на рис. 4.3, колекторний p-n-перехід закритий, а емітерні переходи відкриті. Опори відкритих переходів малі, тому майже вся напруга джерела живлення прикладена до колекторному переходу,що має високий опір. У цьому випадку через тиристор протікає малий струм (ділянка 1 на рис. 4.4).

Якщо збільшувати напругу джерела живлення, струм тиристора збільшується незначно, поки ця напруга не наблизиться до деякого критичного значення, рівного напрузі включення Uвкл. При напрузі Uвкл в динисторі створюються умови для лавинного розмноження носіїв заряду в області колекторного переходу. Відбувається зворотній електричний пробій колекторного переходу (ділянка 2 на рис. 4.4). В n-області колекторного переходу утворюється надмірна концентрація електронів, а в p-області - надмірна концентрація дірок. Зі збільшенням цих концентрацій знижуються потенційні бар'єри всіх переходів динистора. Зростає інжекція носіїв через емітерні переходи. Процес носить лавиноподібний характер і супроводжується перемиканням колекторного переходу у відкритий стан. Зростання струму відбувається одночасно зі зменшенням опорів усіх областей приладу. Тому збільшення струму через прилад супроводжується зменшенням напруги між анодом і катодом. На ВАХ цю ділянку позначено цифрою 3. Тут прилад має негативний диференціальний опір. Напруга на резисторі зростає і відбувається перемикання динистора.

а) б)

Рисунок 4.3 - Схема включення динистора (а) та тринистора (б)

Після переходу колекторного переходу у відкритий стан ВАХ має вигляд, відповідний прямій гілці діода (ділянка 4). Після перемикання напруга на динисторі знижується до 1 В. Якщо і далі збільшувати напруга джерела живлення або зменшувати опір резистора R, то буде спостерігатися зростання вихідного струму, як у звичайній схемі з діодом при прямому включенні.

При зменшенні напруги джерела живлення відновлюється високий опір колекторного переходу. Час відновлення опору цього переходу може становити десятки мікросекунд.

Напругу Uвкл, при якій починається лавиноподібне наростання струму, може бути знижено введенням не основних носіїв заряду в будь-якому з шарів, прилеглих до колекторного переходу. Додаткові носії заряду вводяться в тиристорі допоміжним електродом, що живиться від незалежного джерела управляючої напруги (Uупр). Тиристор з допоміжним електродом називається тріодним, або тріністорним. На практиці при використанні терміну «тиристор» мається на увазі саме цей елемент. Схема включення такого тиристора показана на рис. 4.2,б. Можливість зниження напруги U при зростанні струму управління, показує сімейство ВАХ (рис. 4.3,б).

а) б)

Рисунок 4.4 - Вольтамперна характеристика динистора (а) та тринистора (б)

Якщо до тиристора прикласти напругу живлення, протилежної полярності (рис. 4.4,б), то емітерні переходи виявляться закритими. У цьому випадку ВАХ тиристора нагадує зворотну гілку характеристики звичайного діода. При дуже великих зворотних напругах спостерігається незворотний пробій тиристора.

Симистор має додатковий p-n перехід поруч з анодом або катодом. Така конструктивна особливість симистора обумовлює симетричність його вольтамперної характеристики.

Рисунок 4.5 - Вольтамперна характеристика динистора

4.1.3 Параметри тиристорів

1. Напруга включення (Uвкл) - це напруга, при якій тиристор переходить у відкритий стан.

2. Періодична імпульсна зворотна напруга (Uзв.max) - це напруга, при якій наступає електричний пробій. Для більшості тиристорів Uвкл = Uo6p.max.

3. Максимально допустимий прямий, середній за період струм.

4. Пряме падіння напруги на відкритому тиристорі (Unp = 0,5 ÷ 1В).

5. Зворотний максимальний струм - це струм, обумовлений рухом неосновних носіїв при прикладанні напруги зворотної полярності.

6. Струм утримання - це анодний струм, при якому тиристор закривається.

7. Час відключення - це час, протягом якого закривається тиристор.

8. Гранична швидкість наростання анодного струму . Якщо анодний струм буде швидко наростати, то p-n переходи будуть завантажуватися струмом нерівномірно, внаслідок чого буде відбуватися місцевий перегрів і тепловий пробій.

9. Гранична швидкість наростання анодної напруги . Якщо гранична швидкість наростання анодної напруги буде більше паспортної, тиристор може мимовільно відкритися від електромагнітної завади.

10. Керуючий струм включення - це струм, який необхідно подати, щоб тиристор відкрився.

11. Керуюча напруга включення - це напруга, яку слід подати, щоб тиристор відкрився.

4.1.4 Способи управління тиристорами

Включення звичайного тиристора здійснюється подачею імпульсу струму в ланцюг управління позитивної, щодо катода, полярності. На тривалість перехідного процесу при включенні значний вплив мають:

• характер навантаження (активний, індуктивний та ін),

• амплітуда і швидкість наростання імпульсу струму управління Ig,

• температура напівпровідникової структури тиристора,

• прикладена напруга і струм навантаження.

У ланцюзі, що містить тиристор, не повинно виникати неприпустимих значень швидкості наростання прямої напруги dU / dt, при якій може відбутися мимовільне включення тиристора при відсутності сигналу керування Ig і швидкості наростання струму dI / dt. У той же час крутизна сигналу керування повинна бути високою.

Серед способів виключення тиристорів прийнято розрізняти природне виключення (або природну комутацію) і примусову (або штучну комутацію). Природна комутація відбувається при роботі тиристорів в ланцюгах змінного струму в момент спадання струму до нуля. При роботі тиристора на постійному струмі використовують примусову комутацію.

Тиристор в колі змінного струму

При включенні тиристора в ланцюг змінного струму можливе здійснення таких операцій:

• включення і відключення електричного кола з активним і активно-реактивним навантаженням

• зміна середнього та діючого значень струму через навантаження за рахунок того, що є можливість регулювати момент подачі сигналу керування.

Найбільш широке застосування в силових електронних апаратах отримали фазовий (рис. 4.6 а, б) і широтно-імпульсний спосіб керування тиристорами (рис. 4.5 в).

Рисунок 4.6- Вид напруги на навантаженні при: а) - фазовому керуванні тиристором; б) - фазовому керуванні тиристором з примусовою комутацією, в) - широтно-імпульсному керуванні тиристором.

При фазовому методі управління тиристором з примусовою комутацією регулювання струму навантаження можливо як за рахунок зміни кута α, так і кута θ. Штучна комутація здійснюється за допомогою спеціальних вузлів або при використанні повністю керованих (запираємих) тиристорів.

При широтно-імпульсному управлінні (широтно-імпульсній модуляції - ШІМ) протягом часу Тоткр на тиристори поданий керуючий сигнал, вони відкриті і до навантаження прикладена напруга Uн. Протягом часу Тзакр керуючий сигнал відсутній і тиристори знаходяться в непровідному стані. Діюче значення струму в навантаженні

де Iн.м. - струм навантаження при Тзакр = 0.

Крива струму в навантаженні при фазовому керуванні тиристорами несинусоїдальна, що викликає спотворення форми напруги живлення мережі і порушення в роботі споживачів, чутливих до високочастотним завад - виникає так звана електромагнітна несумісність.

При використанні тиристора в ланцюгах змінного струму його відключення відбувається кожного разу при зміні полярності робочої напруги. Це робить можливим застосування тиристорів в ланцюгах регулювання потужності. Тиристор можна відкрити в той час, коли напруга на його аноді позитивна. Після закінчення напівхвилі змінної напруги тиристор закриється. Діюче значення напруги на навантаженні буде змінюватися в залежності від «кута відкриття» тиристора.

Тиристор як регулятор потужності передає в навантаження потужність тільки одного з двох періодів робочої напруги.

Тиристор в колі постійного струму

Способи примусової комутації для виключення тиристора в колі постійного струму вельми різноманітні. Найбільш характерні з них наступні: підключення попередньо зарядженого конденсатора з ключем S (рис. 4.7, а); підключення LC-ланцюга з попередньо зарядженим конденсатором CK (рис 4.7 б), використання коливального характеру перехідного процесу в ланцюзі навантаження (рис 4.7, в).

При комутації за схемою на рис. 4.7,а підключення комутуючого конденсатора із зворотною полярністю, наприклад іншим допоміжним тиристором, викличе його розряд на основний тиристор. Так як розрядний струм конденсатора скеровано зустрічно прямому струму тиристора, останній знижується до нуля і тиристор вимикається.

У схемі на рис. 4.7, б підключення LC-контура викликає коливальний розряд комутуючого конденсатора Ск. При цьому, на початку розрядний струм протікає через тиристор зустрічно його прямому струму, коли вони стають рівними, тиристор вимикається. Далі струм LC-контура переходить з тиристора VS в діод VD. Поки через діод VD протікає струм контуру, до тиристору VS буде прикладена зворотна напруга, рівна падінню напруги на відкритому діоді.

Рисунок 4.7 - Способи штучної комутації тиристорів: а) - за допомогою зарядженого конденсатора С; б) - за допомогою коливального розряду LC-контура, в) - за рахунок коливального характеру навантаження

У схемі на рис. 4.7, в включення тиристора VS на комплексне RLC-наванта-ження викличе перехідний процес. За певних параметрів навантаження цей процес може мати коливальний характер з зміною полярності струму навантаження. У цьому випадку після виключення тиристора VS відбувається включення діода VD, який починає проводити струм протилежної полярності. Іноді цей спосіб комутації називають квазіприродним, так як він пов'язаний зі зміною полярності струму навантаження.

4.1.5 Захист тиристорів

Тиристори є приладами, критичними до швидкостей наростання прямого струму dI / dt і прямої напруги dU / dt. Тиристорам, як і диодам, притаманне явище протікання зворотного струму відновлення, різке спадання якого до нуля посилює можливість виникнення перенапруг з високим значенням dU / dt. Такі перенапруги є наслідком різкого припинення струму в індуктивних елементах схеми, включаючи малі індуктивності монтажу. Тому для захисту тиристорів зазвичай використовують різні схеми ЦФТП, які в динамічних режимах здійснюють захист від неприпустимих значень dI / dt і dU / dt.

У більшості випадків внутрішній індуктивний опір джерел напруги, що входять в ланцюг включеного тиристора, виявляється достатнім, щоб не вводити додаткову індуктивність LS. Тому на практиці частіше виникає необхідність у ЦФТП, що знижують рівень і швидкість перенапруг при виключенні (рис. 4.8).

Для цієї мети зазвичай використовують RC-ланцюги, що підключаються паралельно тиристору. Існують різні схемотехнічні модифікації RC-ланцюгів і методики розрахунку їх параметрів для різних умов використання тиристорів. Для замикаються тиристорів застосовуються ланцюги формування траєкторії перемикання, аналогічні за схемотехнікою ЦФТП транзисторів.

Рисунок 4.8 - Типова схема захисту тиристора

4.1.6 Запираємі тиристори

Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, що використовуються для комутації високовольтних і сильнострумових кіл. Проте вони мають суттєвий недолік - неповну керованість, яка проявляється в тому, що для їх вимикання необхідно створити умови зниження прямого струму до І_УТР. Це в багатьох випадках обмежує і ускладнює використання тиристорів.

Для усунення цього недоліку розроблено тиристори, що закриваються сигналом по керуючому електроду G. Такі тиристори називають запираємі (GTO - Gate turn-off thyristor) або двоопераційними.

Запираємі тиристори (ЗТ) мають чотиришарову р-п-р-п структуру, але в той же час мають низку істотних конструктивних особливостей, які надають їм принципово відмінне від традиційних тиристорів - властивість повної керованості. Статична ВАХ запираємих тиристорів в прямому напрямку ідентична ВАХ звичайних тиристорів. Однак блокувати великі зворотні напруги запираємий тиристор зазвичай не здатний і часто з'єднується із зустрічно-паралельно включеним діодом. Крім того, для запираємих тиристорів характерні значні падіння прямої напруги. Для виключення запираємого тиристора необхідно подати в ланцюг керуючого електрода потужний імпульс негативного струму (приблизно 1:5 по відношенню до значення прямого вимикаємо струму), але короткою тривалості (10-100 мкс).

Запираємі, тиристори також мають більш низькі значення граничних напруг і струмів (приблизно на 20-30%) у порівнянні зі звичайними тиристорами.