58

Лабораторная работа No 12 Устройство и характеристики тиристора

Цель работы: изучение статических характеристик тиристора и условий его работы в качестве управляемого вентиля.

Приборы и принадлежности: тиристор, резисторы, потенциометр, конденсатор, микроамперметр и вольтметр магнитоэлектрической системы, многофункциональные электронные приборы В7-35, осциллограф, ЛАТР, электрическая лампа накаливания.

краткие теоретические сведения

Тиристоры представляют собой переключающие приборы, выполненные в виде многослойных систем. Структура простейшего диодного тиристора показана на рис. 12.1, а его вольтамперная характеристика – на рис. 12.2.

K n₁ p₁ n₂ p₂ A

П₁ П₂ П₃ R_Н

 U +

Рис. 12.1

I C

B

A

0 Uвкл u

Рис. 12.2

Физические процессы, происходящие в таком приборе, сводятся к следующему. В исходном состоянии электронно-дырочные переходы П₁ и П₃ открыты, а переход П₂ закрыт - он включен в обратном направлении. Поэтому на участке ОА вольт-амперной характеристики тиристор практически закрыт. Электрический ток, обусловленный движением через переход П₂ неосновных носителей, мал и медленно растет при увеличении внешнего напряжения. На состояние П₂ влияют два противоположных процесса: с одной стороны, повышение напряжения приводит к уходу основных носителей от границы перехода и росту его сопротивления; с другой стороны, при этом становятся больше падения напряжений на переходах П₁ и П₂, что увеличивает инжекцию основных носителей из области n₁ в область p₁ и из области р₂ в область n₂. В результате области р₁ и n₂ обогащаются неосновными носителями и сопротивление перехода П₂ падает. На начальном участке характеристики преобладает первый фактор. Около точки А при U=U_вкл (десятки вольт), называемом напряжением включения, влияние данных процессов уравновешивается. В этой ситуации даже незначительное увеличение внешнего напряжения создает перевес второго механизма. В результате проводимость П₂, а также падения напряжений на П₁ и П₃ растут. Это приводит к еще большей инжекции носителей из областей р₂ и n₁ в области, соответственно, n₂ и р₁. Сопротивление П₂ продолжает уменьшаться, а падения напряжений на П₁ и П₃ возрастают и т. д. В итоге переход П₂ скачкообразно открывается (участок АВ) и через тиристор начинает протекать значительный сквозной ток, ограниченный только сопротивлением нагрузки R_н - участок ВС. Суммарное падение напряжения на тиристоре в таком режиме не превышает нескольких вольт. Оно обусловлено незначительными сопротивлениями переходов П₁-П₃ и областей n₁, р₁, n₂, р₂.

Если к одной из средних областей структуры подключить дополнительный вывод, то реализуется управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором (рис. 12.3).

П₁ П₂ П₃ I I_у3>I_у2>I_у1

K A

n₁ p₁ n₂ p₂ I_у1

I_у2

УЭ R_Н I_у3

 U + 0 U_вкл3 U_вкл2 U_вкл1 U

а б

Рис. 12.3

Подавая этим выводом (управляющим электродом УЭ) на переход П₁, включенный в прямом направлении, напряжение U_упр, осуществляют дополнительную инжекцию носителей из области n₁ в р₁. Это приводит к открыванию перехода П₂ и обеспечивает возможность воздействия на величину U_вкл (рис. 12.3,б). Чем больше ток, протекающий через управляющий электрод I_у, тем ниже U_вкл. При этом характеристика триодного тиристора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.

Одна из схем триодного тиристора с выводом от р-области приведена на рис. 12.4.

A

I_у

+ K R_н

УЭ

  U +

Рис. 12.4

Такой тиристор называют тиристором с управлением по катоду, так как оно производится по области р₁, ближайшей к катодной области n₁. Если U достаточно велико, то при подаче на УЭ положительного импульса тиристор открывается.

Работоспособность тиристоров характеризуют следующие параметры: время включения t_вкл; время выключения t_выкл; максимальные значения прямого тока (I_пр)_max и обратного напряжения (U_обр)_max. Время включения тиристоров составляет единицы микросекунд, а время выключения, обусловленное рекомбинацией носителей, - десятки микросекунд. Из-за значительного t_выкл тиристоры работоспособны на низких частотах (десятки кГц).

Область наиболее частого применения тиристоров – управляемые выпрямители.

Пусть в цепи (рис. 12.4) используется источник синусоидального напряжения u=U_msint. В этом случае для того чтобы условия работы тиристора в каждый положительный полупериод синусоидального напряжения были одинаковыми, период повторения управляющих импульсов I_у, открывающих тиристор, должен равняться периоду преобразуемого напряжения T (рис. 12.5).

U_н

U_o

0  2 t



I_у

0 t

t T

Рис. 12.5

Если время между началом положительного полупериода преобразуемого напряжения и моментом подачи управляющего импульса равно t=/ ( - угол запаздывания), то среднее значение напряжения на сопротивлении нагрузки R_н составляет

. (12.1)

описание экспериментальной установки

Исследование характеристик тиристора осуществляется с помощью электрической цепи, схема которой приведена на рис. 12.6.

Р ис. 12.6

В качестве объекта исследования используется триодный тиристор КУ202Н, управляемый по катоду. Питание управляющей цепи тиристора осуществляется от источника с напряжением U₁, регулируемым в пределах 0-10 В. Выходная цепь запитывается от источника с напряжением U₂, изменяемым в пределах 0-40 В. В каждую из указанных цепей включены ограничительные резисторы с сопротивлениями R₁=620 Ом и R₂=910 Ом. Измерение управляющего напряжения производится вольтметром V₁ c пределом измерения до 1 В, а контроль силы управляющего тока - миллиамперметром. В качестве измерителей силы тока и напряжения в выходной цепи тиристора используются многофункциональные приборы В7-35, имеющие автоматическое переключение пределов измерений. Это обеспечивает возможность непрерывного контроля характеристик тиристора, несмотря на его переключение со слаботочного режима работы в сильноточный.

Для исследования работы тиристора в качестве управляемого выпрямителя собирается электрическая цепь, схема которой приведена на рис. 12.7.

Рис. 12.7

Нагрузкой тиристорного выпрямителя служит лампа накаливания. Питание осуществляется от сетевого напряжения в 220 В. Параллельно тиристору включается диод Д и RC-цепь. В качестве ее сопротивления используются резистор R₁=10 кОм и переменное сопротивление (потенциометр) R₂=0-10 кОм. Конденсатор имеет емкость С=0,047 мкФ. Последовательно с тиристором включается резистор R₃=10 Ом. Для регистрации токовых импульсов в цепи нагрузки, а также импульсов напряжения на конденсаторе служит электронный осциллограф С1-74.

Работает устройство следующим образом. Переменное напряжение с ЛАТРа прикладывается одновременно к тиристору (Л-Т-R₃) и RC-цепи. При этом происходит заряд конденсатора (интервал времени 0-t₁) (рис. 12.8).

U

0 t

U_C

0 t₁ t₂ t

i_н

0 t

t

Рис. 12.8

По мере увеличения напряжения на конденсаторе U_C растет ток в цепи управляющего электрода. В момент времени t₁ напряжение между управляющим электродом и катодом достигает уровня, обеспечивающего управляющий ток I_у, соответствующий включению тиристора. После этого рост U_C прекращается, стабилизируясь на уровне падения напряжения на открытом р-n переходе (~0,8 В) почти в течение всего положительного полупериода входного напряжения. Как только последнее достигает некоторого минимального порогового значения, ток через тиристор прекращается. Далее процесс возобновляется при поступлении новой положительной полуволны входного напряжения. Регулируя значение сопротивления R₂, можно изменять постоянную времени заряда конденсатора =(R₁+R₂)C и следовательно интервал времени 0-t₁, в течение которого он заряжается до необходимого напряжения. При этом момент включения тиристора во времени будет также меняться, что скажется на среднем значении тока в нагрузке. Этот факт можно зафиксировать визуально по изменению яркости свечения лампы накаливания.

порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь, схема которой представлена на рис. 12.6.

2. Изменяя напряжение U₁ от 0 до максимального значения, снимите входную характеристику исследуемого тиристора – зависимость I_у=f(U_вх). Результаты занесите в таблицу 12.1.

Таблица 12.1

U₁, B

I_у, мкА

3. Подайте на анод тиристора напряжение U₂=30 B. Изменяя U₁ зафиксируйте ток I_у, при котором происходит включение тиристора.

4. Установите ток I_у в цепи управляющего электрода тиристора, определенный ранее в п. 3. Снимите выходную характеристику тиристора - I_А=f(U₂). Результаты занесите в таблицу 12.2.

Таблица 12.2

U₂, B

I_А, мкА

5. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рис. 12.7.

6. Подключите осциллограф к контактам 2-3 и получите на его экране осциллограмму импульсов напряжения на резисторе R₃. Подключите осциллограф к контактам 1-2 и получите осциллограмму напряжения на конденсаторе С. Зарисуйте обе осциллограммы на одном графике.

7. Вращая рукоятку потенциометра R₂, получите осциллограммы импульсов по п. 6 при разных временах запаздывания. Зарисуйте полученные осциллограммы.

8. Изменив положение переключателя развертки осциллографа, получите на экране изображение переднего фронта импульса напряжения (осциллограф подключен к контактам 2-3) и измерьте t_вкл тиристора (длительность переднего фронта).

9. На основании данных таблиц 12.1 и 12.2 постройте графики зависимостей I_у=f(U₁) и I_A=f(U₂).

10. Используя осциллограммы импульсов напряжения на резисторе R₃ и формулу 12.1, определите отношение U_o/U_max для разных времен запаздывания.

контрольные вопросы

1. Как устроен тиристор? Какие основные физические процессы сопровождают его работу?

2. Объясните особенности вольт-амперной характеристики тиристора.

3. Как осуществляется управление состоянием триодного тиристора ?

4. Объясните принцип действия управляемого выпрямителя, изучаемого в лабораторной работе.

список рекомендуемой литературы

1. А.С. Касаткин. Основы электротехники. - М.: Высшая школа. 1982.

2. А.С. Касаткин. Электротехника. - М.-Л.: Энергия. 1969.

3. А.С. Касаткин, М.В. Немцов. Электротехника. - М.: Энергоиздат. 1983.

4. Электротехника / Под ред. В.Г. Герасимова. - М.: Высшая школа. 1985.

5. Общая электротехника / Под ред. А.Т. Блажкина. - М.-Л.: Энергия. 1985.

6. Л.А. Бессонов. Теоретические основы электротехники. - М.: Высшая школа. 1978.

7. А.А. Евсюков. Электротехника. - М.: Просвещение. 1979.

8. Ю.М. Борисов, Д.Н. Липатов, Ю.Н. Зорин. Электротехника. М.: Энергоиздат. 1985.

9. А.Г. Морозов. Электротехника, электроника и импульсная техника. - М.: Высшая школа. 1987.

10. Д.Э. Брускин, А.Е. Зорохович, В.С. Хвостов. Электрические машины и микромашины. - М.: Высшая школа. 1981.

11. А.И. Вольдек. Электрические машины. - Л.: Энергия. 1978.

с о д е р ж а н и е

Ла­бо­ра­тор­ная ра­бо­та N^о 7. Однофазный трансформатор .............. 3

Ла­бо­ра­тор­ная ра­бо­та N^о 8. Исследование однофазных выпрямителей ............................................................ 12

Ла­бо­ра­тор­ная ра­бо­та N^о 9. Генератор постоянного

тока с параллельным и смешанным возбуждением .............. 22

Лабораторная работа N^о 10. Двигатель постоянного

тока ................................................................................. 32

Ла­бо­ра­тор­ная ра­бо­та N^o 11. Однофазный асинхрон-

ный двигатель .................................................................. 40

Ла­бо­ра­тор­ная ра­бо­та N^о 12. Устройство и характе-

ристики тиристора ............................................................ 46

Список рекомендуемой литературы ............................. 54

Учебное издание

Э л е к т р о т е х н и к а