ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРИНИСТОРА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3

 

 

Тольятти 2009

 

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.1. Изучить принцип работы тринистора и его характеристики.

1.2. Исследовать схему тринисторного регулятора напряжения.

 

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЯСНЕНИЯ

Тиристором называется полупроводниковый прибор с четырёх и пятислойной структурой.

Тиристор работает только в двух режимах: открытом и закрытом, т.е. исполняет роль электронного ключа. Тиристоры могут быть управляемые и неуправляемые.

Условные обозначения наиболее применяемых типов тиристоров даны на рисунке 1 /а...е/.

Рисунок 1

Управляемые тиристоры имеют большой коэффициент усиления по мощности К = 5000...100 000.

Существует несколько типов тиристоров. На рисунке 1 изображены:

а) диодный тиристор;

б,в) незапираемый тринистор с выводами из р- и n-областей;

г,д) запираемые тринисторы с выводами из р- и n- областей;

е) семистр.

Рассмотрим физику работы незапираемого тринистора с выводом управляющего электрода от р- области (рисунок 1б). Этот тип тринистора может лишь открываться при подаче на его управляющий электрод сиг­нала управления. Запирается же тринистор при других условиях. Структура рассматриваемого тринистора показана на рисунке 2.

Рисунок 2

При отсутствии напряжения на управляющем электроде и при отрицательном напряжении на аноде первый и третий р-n-переходы будут смещены в обратном направлении, а второй - в прямом. В сопротивление тринистора будет очень велико, а анодный ток мал. Наличие тока-управления через управляющий переход не изменяет общего состояния структуры и тринистор остаётся в закрытом состоянии.

При положительном направлении на аноде картина изменяется на противоположную: только переход 2 будет смещен в обратном направлении и к нему будет приложено почти все анодное напряжение.

Принцип переключения тринистора из закрытого состояния в открытое в этом случае можно пояснить с помощью рисунка 3.

Рисунок 3

Тринистор можно представить в виде комбинации двух транзисторов:

VТ1 с прямой проводимостью и VТ2 с обратной, причём у \/Т1 переход 1 является эмиттерным, 2 - коллекторным переходом, а у VT2 эмиттерным переходом является 3, а коллекторным 2. Если рассматривать переход 2 как коллекторный транзистор VТ1, то через него будет протекать ток:

I_k2= α₁·I_э1 (1)

где I_э1 - ток эмиттера VТ1,

α₁ - коэффициент передачи по току \/Т1

Если 2 рассматривать как коллекторный переход \/Т2, то ток протекающий через него выразится как:

I'' _k2 = (α₂∙ I_э2) (2)

Кроме этого через этот переход протекает Iко, т.к. 2 смещён в обратном направлении.

Следовательно, полный ток через переход будет равен:

I₂= α₁·I_э1+ α₂∙ I_э2 + I_кo (3)

Очевидно, что I_э1= I_э2 = I₂, то из (3) имеем:

I_э2= I_кo /(1 – (α₁+ α₂)) (4)

При α₁+ α₂à 1 происходит переключение тринистора в открытое состояние.

Коэффициенты передачи по току α₁ и α₂ зависят от анодного напряжения U_а, от тока управления I_у от температуры переходов.

При отсутствии тока управления, с увеличением U_а, α₁ и α₂ увеличиваются, при некотором U_а возможно переключение тринистора из состояния отсечки в состояние насыщения.

Характеристики переключений тринистора при различных I_у даны на рискнке 4.

Рисунок 4

Если I_у = I_у0= 0, то анодный ток тринистора очень мал при

0 < U_а < U_аотк

где U_аотк – напряжение открывания тиристора.

В точке А (при U_а = U_аотк) дифференциальное сопротивление прибора r_д=dU / dI=0. На участке АВ r_д <0, поэтому при незначительном превышении U_а над U_аотк тринистор переключается и переходит в режим насыщения.

Если увеличивать I_у, то переключение тиристора происходит при меньших значениях U_а (кривые 2 и 3). Наконец, при каком-то I_у вольтамперная характеристика (в.а.х.) тринистора может трансформироваться в в.а.х. диода (кривая 4). Обратная ветвь в.а.х. тринистора аналогична обратной ветви в.а.х. силового диода.

Тринистор закрывается, если анодный ток тиристора станет меньше тока удержания I_а < I_уд. Рассмотрим работу тринистора, нагруженную на активную нагрузку R_а (рисунок 5). Работа тринистора становится понятной из рисунка 6 при совместном рассмотрении в.а.х. тринистора (кривая 1,2) и в.а.х. нагрузки, (линии 3...7). Семейство последних в.а.х. характеризует одну нагрузку R_а, но при различных напряжениях внешнего источника

Рисунок 5

Эти в.а.х. построены по двум точкам: при запертом и при насы­щенном тиристоре. Поведение схемы определяется взаимным располо­жением в.а.х. нагрузки и в.а.х. тринистора. Совместное решение уравнений линии 3 и кривой 1 определит координаты точек их пересечения: А, В, С. Тринистор будет находиться в устойчивом состоянии в точках А и С (точка В лежит в области отрицательного сопротивления и не является устойчивой).

В точке А тринистор заперт, в точке В - насыщен.

Пусть напряжение внешнего источника E_а(t) меняется по за­кону, изображённому на рисунке 7, причём E_а > E_5. В период t₁… t₄ E_а(t) монотонно повышается, а с момента t₄ начинает монотонно уменьшаться до момента t₇ (рисунок 7).

Открывание тиристора произойдёт в точке D (рисунок 6), где в.а.х. нагрузки становится касательной к в.а.х. тринистора, т.е. в точке наименьшей устойчивости для данной ситуации. После открывания тиристора его рабочая точка переместится в точку Е. Описанная ситуация соответствует моменту t₃ на рисунке 7, где функция U_а(t) ступенчато изменяется.

Рисунок 6

Начиная с момента t₄ E_а(t) (рисунок7) уменьшается и рабочая точка тринистора "спускается", вниз по его в.а.х. до точки F (рисунок 6).. Эта точка также является точкой неустойчивого равнове­сия, поскольку здесь в.а.х. нагрузки при E_а(t₅) = E_а яв­ляется касательной к в.а.х. тринистора. Поэтому в точке F тринистор запирается. Это происходит в момент времени t₅ на рисунке 7.

Рисунок 7

Если установить I_у = I_у0, то в.а.х. тринистора будет описываться кривой 2 на рис.6. Принцип формирования зависимости U_а(t) на рис.7 останется тем же за исключением того, что отпирание тиристора произойдет в момент времени t₂, а запирание в момент t₆.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Принципиальная электрическая схема стенда дана на рисунке 8.

Стенд состоит из:

- понижающего трансформатора, Т;

- выпрямителя, собранного на диодах VD1...VD4;

- параметрического стабилизатора, собранного на R1 и VD5;

-схемы управления тиристором, собранного на однопереходном транзисторе VT;

- тиристорного преобразователя напряжения \/S;

- переключателя рода работы SА 1.2

Эпюры сигналов, поясняющие работу схемы стенда, представлены на рисунке 9 (а...в).

Пульсирующее напряжение U₁(t) (рисунке 9) с выхода двухполупериодного выпрямителя поступает на тиристорный преобразователь и параметрический стабилизатор напряжения. Последний, помимо своей основной функции - стабилизации напряжения питания схемы управ­ления тиристором - дополнительно синхронизирует работу этой схемы относительно входного напряжения U₁(t) т.е. является формирователем импульсов U₂(t).

Если переключатель SAl находится в положении 1-2, он своими спаренными контактами образует цепь питания убавляющего электрода тиристора VS. Регулируя I_у с помощью R2, можно наблюдать осциллограммы сигналов, аналогичные изображённым на рис.7.

Очевидно, что пределы регулирования угла отпирания тиристора при таком регулировании ограничены.

При установке SА1 в положение 1-3 cxeмa работает следующим образом (см. рисунок 10а...2). Регулируемое напряжение U₃(t) с потенциометра R2 через VД6 подаётся на конденсатор С1. Поскольку R2 – низкоомное, С1 очень быстро заряжается до напряжения "пьедестала" U_c(t) (момент времени t₁). С1 заряжается через резистор R3, причём R3 >> R2. Напряжение на С1 – U₄(t) растет по экспоненте и стремится достичь максимального значения U₂(t) Однако в момент времени t₁ напряжение на С1 достигает величины срабатывания однопереходного транзистора VT, U_cр (момент времени t₂ на рисунок 10а). Здесь конденсатор через открытый VТ разряжается на R6, формируя импульс отпирания тринистора (рисунок 10б), тринистор VД7 открывается и к нагрузке R7 прикладывается напряжение U₁(t). В момент t₃ напряжение U₁(t) становится настолько малым, что ток через тиристор обусловленный R7 становится меньше тока удержания и тиристор закрывается. Таким образом, промежуток времени t₂- t₃ в нагрузке R7 выделяется мощность, зависящая от U₁(t), которая, в свою очередь является функцией угла открытия тиристора.

Напряжение U₄(t) (рисунок 10) является несинусоидальным периодическим сигналом, поэтому имеет постоянную составляющую и ряд гармоник, амплитуды которых могут быть определены из разложения U₄(t) в ряд Фурье (рисунок 10г).

Если напряжение на тринисторе будет иметь вид как на рис.10в, то кривую напряжения на нагрузке R7 (рисунок 11б), равную:

U_R7(t) = U₁(t) – U₁(t)

можно разложить в ряд Фурье.

U_R7(t) =A₀+A₁'sinx+ …+A_i'sin(ix)+A₁''cosx+ …+A_i''cos(ix) (6)

где А₀ - постоянная составляющая,

A_i', - амплитуда синусной составляющей i-ой гармоники.

А_i'' - амплитуда косинусной составляющей i-ой гармоники.

Каждая амплитуда определяется по выражениям:

(7)

(8)

(9)

Зная величины A₀, A_i', A_i'', можно записать выражение (6) в виде:

U_R7 = U₀ + ∑ U_isin(ix + ψ_i) (10)

где U₀ = A0

U_i = (A_i')2 + (A_i'')2

ψ_i = arctg(A_i''/A_i')

 

Если измерять постоянную составляющую напряжения, приложенного к нагрузке, то она будет равна U₀.

Действующее значение напряжения на нагрузке определяется из выражения (11):

U_R7 = U₀² + U₁² + U₂² + … + U_k² (11)

 

ПРОГРАММА И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Установить переключатель SА1 в положение 1-2. Установить несколько значений тока управления I_у регулируемой величины R_р. Определить E₁ (рисунок 6) и построить график зависимости U_отп = f(I_у). Величину тока отпирания определить, руководствуясь рисунком 8 из выражения i_уэ = (U_R2 – U_уэ)/R5,

где R5 = 47 кОм.

Зарисовать осциллограмму U_R7

2. Установить переключатель SА1 в положение 1-3 и по указанию преподавателя установить требуемый момент отпирания тиристора (момент t₂ на рисунок 10а). Для данного случая рассчитать постоянную составляющую напряжениями его действующее значение. Зарисовать с экрана осциллографа U_R7(t).

 

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЁТА

1. Цель работы.

2. Электрическая схема стенда.

3. Эпюры сигналов по п.п. 1 и 2 программы работы.

4. Расчёт постоянной составляющей напряжения U_R7(t), а также его действующее значение.

5. Выводы.

 

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Когда отпирается динистор?

2. Когда запирается тиристор?

3. Чем отличается тринистор от транзистора?

4. Как влияет ВАХ нагрузки на рабочую точку тринистора?

5. Что покажет вольтметр магнитоэлектрической (электромагнитной) системы при измерении напряжения на нагрузке R7?

6. Сравнить достоинства и недостатки двух применённых способов регулирования выходного напряжения.

 

ЛИТЕРАТУРА

Жеребцов И.П. "Основы электроники" 4 издание Л., Энергоатомиздат, 1985.

Рисунок 8

 

 

Рисунок 9

Рисунок 10