Лабораторна Робота №5 Дослідження електричних кіл із напівпровідниковими елементами

Мета роботи: ознайомлення із характеристиками та принципом роботи діодів та їхнім впливом на характер струмів і напруг електричних кіл.

Завдання до роботи

1. Зібрати у Matlab схему рис.5.1. Зняти ВАХ (вольт-амперну характеристику) діода. Визначити вплив внутрішнього опору діода на форму характеристики.

2. Зібрати у Matlab схему рис.5.2. Використовуючи дані з таблиці 5.1, зняти графіки струмів та напруг на діоді та опорі Z1 для випадків, коли:

- Z1 – має чисто активний опір;

- Z1 – складається з активної та індуктивної складової;

- Z1 – складається з активної та ємнісної складової;

У якості джерела живлення використовувати джерело синусоїдальної напруги.

3. Зібрати схему, рис.5.3. Отримати графіки струмів та напруг на діодах та всіх опорах. Дані для схем наведено у табл. 5.2. У якості джерела напруги використовувати:

- джерело синусоїдальної напруги ;

- джерело несинусоїдальної періодичної напруги, за даними рис.5.4.

4. Промоделювати схему без діодів. Порівняти характер струмів через Z3 та Z6. Зробити висновки щодо впливу діодів на роботу схеми.

5. Зняти ВАХ тиристора (рис 5.4), живлячи його від джерела лінійно зростаючою напруги. При цьому імпульс на тиристор подати після того, як напруга джерела змінить свій знак на позитивний.

6. Зібрати модель рис 5.5. Дослідити роботу тиристора для різних значень затримки відкриття (взяти α=0, 30, 45, 60, 90°) для активного та активно-індуктивного навантаження за даними таблиці 5.5. Для одного з випадків збільшити час вимкнення до Т/6 та повторити дослід. Зробити висновки.

7. Повторити дослідження для α=0° та α=90° за умови, що імпульси на тиристор подаються із частотою, що у 2 рази перевищує частоту джерела напруги.

8. Замінити у схем звичайний тиристор на GTO, та повторити дослідження. Порівняти результати та зробити висновки. Дослідити залежність вигляду перехідних процесів від величини ємності зворотного ланцюга. Взяти наступні значення: 100, 1, 0.01 мкФ.

9. Для активно-індуктивного навантаження виключити паралельний до GTO ланцюг, додавши активний пір (шунт) паралельно до індуктивності задля створення шляху для замикання індуктивного струму. Дослідити залежність вигляду перехідних процесів від значення опору шунта. Зробити 3 досліди для випадків 5, 100, 1000 Ом.

10. Виключивши зворотний ланцюг та додавши в модель шунт із опором 5 Ом, дослідити роботу GTO при тривалості імпульсу 10, 25 та 40% від тривалості періоду.

11. Встановити параметри генератора імпульсів для GTO на ті, що наведені в таблиці (f_T, α_T, T_T) отримати графіки струмів та напруг на навантаженні та GTO. Повторити дослід, замінивши джерело синусоїдальної напруги джерелом напруги, форма якої вказана на рис. 5.6.

а) б) в)

рис. 5.6

Таблиця 5.1

№ вар	1, 10	2, 11	3, 12	4, 13	5, 14	6, 15	7, 16	8, 17	9, 18
Um, В	50	75	100	110	200	15	250	400	150
ω, рад/с	314	628	100	200	300	150	50	107	250
R, Ом	5	8	14	15	18	1	30	35	10
L, мГн	10	17	20	25	40	0.5	20	30	50
C, мкФ	2	0.5	0.1	0.3	1	300	2.5	4	7

Таблиця 5.2

№ вар	1, 7, 13	2, 8, 14	3, 9, 15	4, 10, 16	5, 11, 17	6, 12, 18
Um	120	200	90	150	500	300
ω	300	500	100	150	628	314
Z1	R-L 4 Ом;12 мГн	R-C 7 Ом;20мкФ	L 5 мГн	R 58 Ом	R-C 2 Ом; 4 мкФ	R-L 5 Ом; 35 мГн
Z2	R-C 1 Ом;0.5мкФ	R-L 4 Ом; 15 мГн	R-C 8 Ом; 0.2 мкФ	R-L 15 Ом;0.15 Гн	R 45 Ом	L 80 мГн
Z3	R-L 15 Ом;1 мГн	R-L 15 Ом; 1 мГн	R 40 Ом	L 45 мГн	R-L 3 Ом; 4 мГн	R-L 10 Ом; 45 мГн
Z4	R-L 0.5 Ом;1 мГн	R 10 Ом	L 10 мГн	R-C 100 Ом; 3мкФ	R-L 10 Ом; 50 мГн	R-C 75 Ом;30 мкФ
Z5	R-L 50 Ом;0.3 Гн	R 25 Ом	R-L 12 Ом; 2 мГн	R 35 Ом	L 0.1 Гн	R-L 70 Ом; 0.3 Гн
Z6	R 5 Ом	R-L 2 Ом; 0.05 Гн	R 13 Ом	L 25 мГн	R 25 Ом	L 0.1 мГн
ZD1	10мОм;10мГн	0.05Ом; 0.1Гн	1 Ом; 0.4 Гн	0.2 Ом	0.1 Ом; 1 мГн	0.05 Ом
ZD2	1мОм;50мГн	0.5Ом; 0.04Гн	0.01 Ом	5 мОм; 1 Гн	2 Ом; 0.5 Гн	0.01 Ом
№ рис.	а	б	в	а	б	в

Таблиця 5.3

№ вар.	1, 7, 13	2, 8, 14	3, 9, 15	4, 10, 16	5, 11, 17	6, 12, 18
Um, B	100	127	200	220	300	380
f, Гц	50	40	60	30	70	55
R, Ом	10	15	20	10	40	60
L, Гн	0,1	0,05	0,005	0,15	0,01	0,04
fT, Гц	100	120	90	60	280	80
αT, °	15	30	45	60	0	90
TT, %	10	20	30	40	15	25
№ рис	а	б	в	а	б	в

Методичні вказівки

Діод є найпростішим з напівпровідникових елементів. Він використовується як ключ, що пропускає струм лише в одному напрямку, який співпадає із стрілкою у позначенні діода на схемі. У відкритому стані діод має невеличкий активний опір, а також може мати паразитну індуктивність. У закритому стані опір діода дуже великий, струм через нього в нормальному режимі дуже малий. При перевищенні такого параметра діода, як максимальна зворотна напруга, виникає явище електронного пробою діода, тобто струм через закритий діод різко збільшується, що може призвести до виходу з ладу обладнання.

Діод проводить струм, якщо різниця потенціалів на його електродах (за напрямком стрілки) позитивна, і не проводить струм у іншому випадку. Але проводити діод починає не одразу. Для переходу у провідниковий стан різниця потенціалів на ньому має перевищити невеликий поріг, що називається напругою викривання діода.

У Matlab діод моделюється із наступними параметрами:

• активний опір у відкритому стані

• індуктивність у відкритому стані

• напруга відкриття

• початковий струм через діод

• активний опір зворотного ланцюга

• ємність зворотного ланцюга

Рис 5.7. Модель діода

Зворотний ланцюг – це допоміжний засіб для моделювання індуктивних кіл із ключовими елементами. Індуктивний струм не можна переривати, оскільки це призводить до помилку у розрахунку процесів у колах. Тому зворотний ланцюг, який має дуже великий опір, штучно створює шлях для замикання індуктивного струму.

На рис. 5.5 зображено модель діода у Simulink. Він має один вхід та 2 виходи – а – «анод», k – «катод», m – вимірювання. Анод та катод підєднуються безпосередньо до схеми. Відображення порта для вимірювань – опціональне, його можна відключити у параметрах діода (Show measurement port). На цей вихід подається векторний сигнал струму через діод та напруги на ньому.

Для зняття ВАХ діода у якості джерела напруги використати лінійно зростаючий сигнал напруги. Рекомендований діапазон зміни напруги – від -5 до +5 В.

Оскільки сигнали напруги та струму об’єднані в один векторний сигнал, побудову ВАХ можна здійснити наступним чином. Вивід сигналів на робочий простір здійснити за допомогою блоку Scope (встановивши параметр Data History – Save Data to Workspace). Ім’я змінної рекомендується обирати досить коротким, щоб спростити процедуру побудови графіків. Тип змінної встановити на «Масив» (Array). Слід зауважити, що для кожного з сигналів в такому випадку виділяється окремий стовпець. При чому в перший стовпець завжди записуються значення часу моделювання, в другий – сигнал струму, в третій – напруги. Це слід враховувати при побудові графіків.

ВАХ зняти для 3 значень активного опору діода: 0.01, 0.02 та 0.1 Ом.

а) б) в)

Рис. 5.8. Моделі тиристора – а) спрощена, б) – детальна, в) - GTO

Тиристор – керований напівпровідниковий елемент. Відкривається тиристор за 2х умов – якщо напруга на його електродах перевищує поріг відкриття (як і у діода) та на його керуючий вхід (g) подано ненульовий сигнал (в реальному житті – імпульс напруги досить великої амплітуди). Закривається тиристор автоматично, як тільки напруга на його електродах стане нижче за рівень відсічки. Базові властивості тиристора в Matlab моделюються так само, як і в діода. Щоправда, Matlab є 2 блоки, що моделюють звичайний тиристор – Thyristor та Detailed Thyristor. Різниця між ними полягає в детальності моделювання процесів. В блоці Detailed Thyristor є можливість задати час вимикання, що особливо важливо при моделюванні перетворювачів на тиристорах.

GTO – особливий тип тиристора, який має здатність вимикатись в момент, коли сигнал на керуючому вході спадає до 0. Його модель майже співпадає з іншими, за винятком моделювання процесу вимкнення. Існують 2 параметри, що характеризують швидкість вимикання – час спадання струму до рівня у 10% від початкового, та час остаточного вимкнення, які задаються у параметрах GTO.

У таблиці 5.3 наведені параметри для дослідів з тиристорами. Деякі з них потребують додаткових пояснень.

f_T – частота сигналу на керуючому вході тиристора.

α_T – кут вмикання тиристора – характеризується затримкою в часі відносно точки природного увімкнення тиристора (тобто відносно точки, коли напруга на тиристорі стає вищою за напругу відсічки). Надається в електричних градусах, які слід перевести в секунди, знаючи, що повний період сигналу – 360°.

T_T – тривалість керуючого імпульсу на тиристор (Pulse Width/Duty Cycle – для блоку Pulse Generator)