Лабораторная работа № 4 исследование тиристоров и управляемых преобразователей переменного напряжения. Цель работы

Изучение характеристик и параметров тиристоров - обычных (асимметричных), симметричных и запираемых. Ознакомление с применением этих приборов в качестве управляемых выпрямителей и преобразователей переменного напряжения.

1. Описание лабораторной установки

В лабораторной работе используются следующие модули: «Тиристоры», «Миллиамперметры», «Мультиметры». Для проведения лабораторной работы необходим двухканальный осциллограф.

Лицевая панель модуля тиристоров представлена на рис. 1. На ней приведена мнемосхема и установлены коммутирующие и регулирующие элементы. На мнемосхеме изображены: обычный тиристор VS1, симметричный тиристор (симмистор) VS2, запираемый (двух операционный) тиристор VS3, активное и индуктивное сопротивления нагрузки (R_н = 150 Ом и L_н = 70 мГн). Потенциометр RP1 служит для изменения напряжения в цепи управления. Ток управления тиристором ограничен резистором R_огр = 8,2 кОм.

Рис. 1. Модуль тиристоров.

Система управления (СУ) формирует управляющие импульсы, сдвигаемые по фазе при изменении входного управляющего напряжения U_bx = 0...15 В. Шунт

RS1 = 10 Om служит для осциллографирования сигнала, пропорционального току через тиристор, a RS2 = 10 Om для осциллографирования тока управления. Усилитель DA1 позволяет усиливать сигнал тока, снимаемый с шунта RS1.

Также на передней панели размещены гнезда для осуществления внешних соединений XI -Х21, переключатель вида нагрузки SA1 (активной - положение вверх или активно-индуктивной - положение вниз) и переключатель каналов SA для подачи управляющих импульсов на соответствующие тиристоры. Переключатель SA2 подает на схему либо постоянное (+15 В), либо переменное (12 В) напряжение.

Подача питания выполняется при включении сетевого выключателя, установленного на модуле.

2. Предварительное домашнее задание:

а) изучить тему курса «Тиристоры» и содержание данной работы, быть готовым ответить на все контрольные вопросы;

Основные теоретические положения

Тиристоры  это полупроводниковые приборы, с тремя и более взаимодействующими p-n-переходами, обладающие двумя устойчивыми состояниями: открытым и закрытым. В открытом состоянии тиристоры хорошо проводят электрический ток, а в закрытом они представляют собой большое сопротивление, единицы и десятки Мегом. Основное назначение тиристоров  бесконтактная коммутация силовых электрических цепей.

Тиристоры имеют структуру p₁n₁p₂n₂, которая образует три перехода: П₁; П₂; П₃ (рис. 2.). Для включения тиристора в схему от 3-х областей сделаны выводы: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ).

УЭ подключается к слою p₂ у тиристоров с управлением по катоду или к слою n₁ у тиристоров с управлением по аноду.

Рис.2. Структура тиристоров с управлением по катоду а) и по аноду б).

Принцип работы тиристора удобно рассмотреть в соответствии с его семейством ВАХ (рис. 3.).

Рис.3. Вольт - амперная характеристика тиристора.

При обратном напряжении U_ОБР, когда к аноду подключен «», а к катоду «» (участок 0d), p-n-переходы П₁ и П₃ закрыты, а переход П₂ открыт. При этом тиристор закрыт и через него протекает малый обратный ток I_О, образованный неосновными носителями.

При I_У = 0 и прямом включении U_А  0, когда «» приложен к аноду, а «» к катоду и величина U_А  U_ВКЛ (участок 0a) переходы П₁ и П₃ открыты, а П₂  закрыт. При этом тиристор закрыт и через него протекает малый тепловой ток I_О (ток закрытого перехода П₂).

При I_У = 0 и U_А  U_ВКЛ наступает электрический, лавинный пробой перехода П₂ и тиристор лавинообразно открывается, т. е. переходит на участок высокой проводимости (участок bc). Однако для тиристора такой режим самопроизвольного открывания недопустим. Поэтому у всех тиристоров прямое напряжение ограничивается величиной U_A.MAX.ДОП  U_ВКЛ. В этом случае тиристор может открываться только с помощью тока управления I_У.

При подаче на управляющий электрод тока управления I_У1, I_У2 и т. д., величина U_А, при котором происходит пробой p-n-перехода П₂, уменьшается U_А1  U_А2, т. к. при этом увеличивается ток через переход П₂ за счёт электронов перешедших из области n₂. При определённом токе управления спрямления I_У.СПР тиристор открывается при любом положительном напряжении на аноде U_А, начиная с единиц вольт.

В открытом состоянии тиристор находится на участке bc, и через него протекает ток, который ограничивается сопротивлением нагрузки R:

Ia = Uп / R н

При этом падение напряжения на открытом тиристоре U_ПР не превышает одного вольта. В открытом состоянии тиристор может находиться неограниченно долго (пока существуют условия протекания анодного тока достаточной величины).

Для запирания тиристора необходимо снизить величину анодного тока до величины меньше тока удержания I_А.УД (точка b ВАХ). При этом число носителей, проходящих через переход П₂, снижается до критической величины и процесс ударной ионизации (т. е. режим электрического лавинного пробоя

p-n-перехода) прекращается, переход П₂ закрывается и тиристор переходит в закрытое состояние (участок 0а).

Таким образом, тиристор представляет собой однонаправленный бесконтактный коммутатор тока.

Условие отпирания тиристора: U_А  0 и I_У  I_У.СПР.

Условие запирания: I_A < I_А.УД.

Основные эксплутационные параметры тиристора:

- номинальный ток открытого тиристора I_А.Н  это постоянный ток, который может длительно протекать через открытый тиристор;

- прямое падение напряжения на открытом тиристоре U_ПР при протекании через него номинального тока;

- максимально допустимое напряжение U_A.MAX.ДОП, при котором тиристор остаётся закрытым при I_У = 0;

- анодный ток удержания I_A.УД  это минимальный анодный ток, при котором тиристор ещё удерживается в открытом состоянии;

- максимальный ток управления спрямления I_У.СПР  это такой ток управления, при котором тиристор отпирается при любом U_A  0;

- динамическое сопротивление открытого и закрытого тиристора:

- максимальная рассеиваемая мощность на тиристоре в открытом состоянии P_{А.MAX.ДОП}.

Все эти параметры легко определяются по ВАХ тиристора при выполнении лабораторной работы.

б) начертить принципиальные схемы для выполнения экспериментов в соответствии с заданным вариантом;

г) построить в масштабе временные диаграммы: переменного напряжения

u = ~12В; выпрямленного напряжения (или напряжения на нагрузке) Uн; анодного тока i_a ; и напряжения на вентиле Ua для заданных углов управления . Диаграммы построить для управляемого выпрямителя на обычном и запираемом тиристоре, а также для преобразователя переменного напряжения на симмисторе.