Практическая работа №25 «Исследование работы управляемого тиристора»
Порядок выполнения работы:
Изучить теоретический материал.
Выполнить практическое задание и произвести расчеты согласно своего задания.
Теоретические материалы
1.1 Тиристоры. Общие сведения
Тиристорами называют полупроводниковые приборы с тремя и более p-n-переходами, имеющие S-образную вольт-амперную характеристику. Устройство тиристора схематично показано на рис. 1.
П ри изготовлении тиристора берут пластину полупроводника с параметрами области n1 и методом двухсторонней диффузии формируют области p1 и p2. Затем методом односторонней диффузии формируют область n2. При такой технологии изготовления наименее легированной будет область n1, а наиболее легированной - область n2.
Контакт к внешнему p-слою называют анодом, а к внешнему n-слою - катодом. Внутренние области р- и n-типа называют базами. Выводы от баз образуют управляющие электроды УЭ1 и УЭ2.
В зависимости от числа выводов тиристоры делят на
диодные (динисторы), имеющие два вывода - от анода и катода;
триодные (тиристоры), имеющие выводы от анода, катода и одной из баз;
тетродные, имеющие выводы от всех областей.
В начале своего развития тиристоры претендовали на роль многофункционального прибора. На них пытались делать триггеры, счётчики, мультивибраторы и другие самые разнообразные электронные устройства. Однако постепенно выяснилось, что по большинству направлений они не выдерживают конкуренции с другими полупроводниковыми приборами. Единственная область, в которой тиристоры продемонстрировали высокую конкурентоспособность - это мощные токовые ключи различного назначения, в качестве которых они сейчас успешно и широко используются.
П ри использовании в качестве токового ключа тиристор включается последовательно с источником питания и нагрузкой (рис. 1). В процессе работы тиристор может находиться в одном из двух возможных состояний. В одном их них тиристор выключенили закрыт. В этом состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и ток в нагрузке практически равен нулю. Во втором состоянии тиристор включен или открыт. В этом состоянии тиристор имеет малое сопротивление, и ток в цепи определяется сопротивлением нагрузки.
Рассмотрим физические процессы в тиристоре, для чего представим его в виде двух биполярных транзисторов (рис. 2). На физические процессы в тиристоре основное влияние оказывают два фактора: зависимость коэффициента передачи по току от тока эмиттера и лавинное умножение носителей в обеднённом слое коллекторного перехода.
Если на анод подано отрицательное напряжение, то центральный переход П2 будет смещён в прямом направлении, а крайние переходы П1 и П3 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует режиму отсечки транзисторов VT1, VT2 и через тиристор будет протекать обратный ток двух последовательно включенных переходов П1 и П3.
При положительном напряжении на аноде крайние переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а центральный переход П2 - в обратном. В этом случае полярность напряжений на переходах соответствует активному режиму работы транзисторов VT1 и VT2. Как видно из рис. 2, выходной ток транзистора VT1 является входным током транзистора VT2, а выходной ток транзистора VT2 - водным током транзистора VT1, т. е. транзисторы VT1 и VT2 образуют двухкаскадный усилитель, выход которого соединён со входом. В такой схеме возможен регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока.
При небольших положительных напряжениях на аноде через коллекторные переходы будут протекать обратные токи, которые будут усилены транзисторами VT1 и VT2. Но, так как эти токи малы, а при токе эмиттера Iэ0 коэффициент передачи тока эмиттера 0, то в тиристоре установится ток, ненамного превышающий Iк0.
По мере роста напряжения на аноде ток тиристора будет возрастать за счёт лавинного умножения носителей заряда в переходе П2. Это само по себе приводит к увеличению тока тиристора. Но увеличение тока тиристора приводит к возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что влечёт ещё большее увеличение тока тиристора.
При некотором токе коэффициент усиления по петле, образованной транзисторами VT1 и VT2 превысит единицу. При этом если ток не ограничен, то в тиристоре возникает регенеративный процесс лавинообразного нарастания тока, заканчивающийся насыщением транзисторов VT1 и VT2, когда все их переходы будут смещены в прямом направлении. Такой процесс будет происходить в электронном ключе на транзисторе. Если ток ограничен, что имеет место при питании тиристора от источника тока при снятии его вольт-амперной характеристики, то с ростом тока через тиристор напряжение на нём будет падать (рис. 3).
Если в цепи управляющего перехода протекает некоторый ток, то это приводит к увеличению тока тиристора и возрастанию коэффициентов передачи тока эмиттера транзисторов VT1 и VT2, что приводит к уменьшению напряжения, при котором начинается регенеративный процесс включения тиристора (рис. 3).
Вольт-амперная характеристика тиристора имеет пять характерных участков (рис. 3).
Участок 0-1. Напряжение на аноде положительно, ток незначителен, то есть тиристор закрыт. Этот участок вольт-амперной характеристики соответствует режиму прямого запирания.
Участок 1-2. В точках 1 и 2 дифференциальное сопротивление тиристора равно нулю, а между ними - отрицательно. Это участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением тиристора.
Координаты точек 1 и 2 являются параметрами тиристора:
Uвкл - напряжение включения;
Iвкл - ток включения;
Iуд (Iвыкл) - ток удержания (ток выключения);
Uуд (Uвыкл)- напряжение удержания (напряжение выключения).
У часток 2-3. На этом участке тиристор открыт, и ток через него ограничен сопротивлением внешней цепи. Участок соответствует режиму прямой проводимости.
Участок 0-4. На этом участке напряжение на аноде отрицательно. Ток мал. Тиристор закрыт. Участок соответствует режиму обратного запирания.
Участок 4-5. На этом участке наблюдается резкое увеличение тока тиристора при увеличении отрицательного напряжения на аноде. Участок 4-5 соответствует режиму обратного пробоя.
Для выключения тиристора при его использовании в качестве токового ключа необходимо каким-либо способом уменьшить ток через тиристор до значения, меньшего тока удержания. Выключить тиристор, подавая какие-либо воздействия на управляющий электрод, в большинстве типов тиристоров невозможно. Однако существуют тиристоры, которые могут быть выключены по управляющему электроду импульсом тока обратного знака. Такие тиристоры называют запираемыми по управляющему электроду.
Если в качестве управляющего используется электрод УЭ1, то тиристор называют управляемым по катоду, если в качестве управляющего используется электрод УЭ2, то тиристор называют управляемым по аноду.
Рассмотренные тиристоры при отрицательном напряжении на аноде закрыты. Такие тиристоры называют запираемыми в обратном направлении. Однако существуют тиристоры, проводящие в обратном направлении, которые как-бы зашунтированы диодом.
Выпускаются тиристоры, имеющие симметричную воль-амперную характеристику для обеих полярностей напряжения на аноде. Такие тиристоры называют симисторами.
Условные графические изображения тиристоров на схемах приведены на рис. 4.
1.2 Вольтамперная характеристика и управление динистором, схемы включения
Динисторы. Динистором называется двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода. Крайняя область Р называется анодом, а другая крайняя область N − катодом. Структура динистора приведена на рис. 5. Три p-n-перехода динистора обозначены как J1J2 и J3 - Схематическое изображение динистора приведено на рис. 5.
Схему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой. Деление динистора на составляющие транзисторы и схема замещения приведены на рис. 2.
При таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора является током базы первого. Благодаря этому внутреннему соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.
Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы J1 и J3 будут смещены в прямом направлении, а переход J2 − в обратном, поэтому все напряжение источника Е будет приложено к переходу J2. Примем, что коэффициенты передачи по току эмиттера транзисторов T1 и T2 имеют
 Рис. 5 Структура динистора и его схематическое изображение
значения α1 и α2 соответственно. Пользуясь схемой замещения, приведенной на рис. 2, найдем ток через тиристор, равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки Iк0
I = α1I + α2I + IК0 (1)
Ток во внешней цепи равен Iэ1 = Iэ2 = I, поэтому после подстановки I в (1) найдем
I(1 – α1 - α2) = IК0,
откуда получим значение внешнего тока
 (2)
Пока выполняется условие (α1 + α2) < 1 ток в динисторе будет равен IК0. Если же сделать (α1 + α2) > 1, то динистор включается и начинает проводить ток. Таким образом, получено условие включения динистора.
Для увеличения коэффициентов передачи тока α1 или α2 имеются два способа. По первому способу можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения при U=Uвкл один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.
Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а
последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.
После включения транзисторов динистор замкнется и ток I будет ограничиваться только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на открытом приборе меньше 2В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Вольтамперная характеристика динистора приведена на рис. 6.3 а, а схема импульсного включения изображена на рис. 6.3 б.
Выключить динистор можно, понизив ток в нем до значения /выкл или поменяв полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 6.4. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме напряжение на динисторе делается равным нулю. В третьей схеме ток динистора понижается до Iвыкл включением добавочного резистора Rд. В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора С.
1.3 Тринистор, вольтамперная характеристика, управление, схемы включения
Тиристор. Второй способ включения четырехслойной структуры реализован в тиристоре. Для этого в нем имеется вывод от одной из баз эквивалентных транзисторов Т1, или Т2. Если подать в одну из этих баз ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением. Расположение этих управляющих электродов и схематические обозначения тиристоров приведены на рис. 6.5. Вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис. 6.6. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом, тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения. После включения управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тиристора такие же, как и для динистора. Как динисторы, так и тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффекта dU/dt».
Оно связано с зарядом емкости перехода СJ2 при быстром изменении напряжения на аноде тиристора (или динистора): iC2 = C2dU/dt. Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения.
Система маркировки и условных обозначений тиристоров
С начала разработок и производства тиристоров сложились две системы условных обозначений тиристоров диодных (динисторов) и тиристоров триодных.
Согласно ГОСТ 10862-72 условные обозначения импульсных тиристоров, средний ток которых не превышает 20А, содержит 4 элемента:
первый − буква или цифра, соответствующая материалу, из которого изготовлен прибор (например, Г или 1 − германий или его соединения; К или 2 − кремний или его соединения; А или 3 − соединения галлия);
второй − буква, указывающая на вид прибора (Н − тиристор диодный; У − тиристор триодный);
третий − число, указывающее назначение и качественные свойства приборов (малой мощности − от 101 до 199, средней мощности − от 201 до 299);
четвертый − буквы, указывающие на определенные сочетания основных параметров (например: КУ201А - кремниевый триодный тиристор средней мощности (0,ЗА <= Iср <= 10А) с сочетанием параметров А).
На силовые тиристоры на средний ток 10А и более, согласно ГОСТ 20859-79, условные обозначения содержат следующие четыре элемента: первый − тип тиристора (Т − незапираемый, ТЛ − лавинный и т. д.); второй − буква, определяющая подвид прибора (4 − высокочастотный; Б − быстродействующий; И − импульсный); третий − определяет конструкцию прибора (бескорпусная, таблеточная и т. д.); четвертый − цифры, указывающие максимально допустимый средний ток в открытом состоянии.
Тиристоры каждого типа всех видов и подвидов подразделяются на классы по значениям повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии и повторяющегося импульсного обратного напряжения в открытом состоянии. Кроме того, тиристоры подразделяются на группы по du/dt.
Например: ТЛ-320-10-6 - тиристор лавинный, первой модификации, размер шестигранника «под ключ» 41мм, конструктивное исполнение штыревое с гибким выводом, средний ток в открытом состоянии 320А, повторяющееся напряжение 1000В (10 класс), критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии 500В/мкс.
Основные параметры тиристоров
К основным параметрам динисторов и тиристоров относятся:
• допустимое обратное напряжение Uобр;
напряжение в открытом состоянии Uпр при заданном прямом токе;
допустимый прямой ток Iпр;
времена включения tвкл и выключения Iвыкл
При включении тиристора током управления после подачи импульса тока Iyt в управляющий электрод проходит некоторое время, необходимое для включения тиристора. Кривые мгновенных значений токов и напряжений в тиристоре при его включении на резистивную нагрузку приведены на рис. 6.7.
Процесс нарастания тока в тиристоре начинается спустя некоторое время задержки tзд, которое зависит от амплитуды импульса тока управления Iyt. При достаточно большом токе управления время задержки снижается до долей микросекунды (от 0,1 до 1...2мкс).
 З
атем происходит нарастание тока через прибор, которое обычно называют временем лавинного нарастания. Это время существенно зависит от начального прямого напряжения Uпр0 на тиристоре и прямого тока Iпр через включенный тиристор.
Включение тиристора обычно осуществляется импульсом тока управления. Для надежного включения тиристора необходимо, чтобы параметры импульса тока управления: его амплитуда Iyt, длительность tиу, скорость нарастания dIy/dt отвечали определенным требованиям, которые обеспечивают включение тиристора в заданных условиях. Длительность импульса тока управления должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток тиристора был больше тока удержания Iауд.
Если тиристор выключается приложением обратного напряжения Uo6p, то процесс выключения можно разделить на две стадии: время восстановления обратного сопротивления tоб.B и время выключения tвык. После окончания времени восстановления Iобв ток в тиристоре достигает нулевого значения, однако он не выдерживает приложения прямого напряжения. Только спустя время tвык к тиристору можно повторно прикладывать прямое напряжение Uпр0.
Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются так же, как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.
Симистор, структура, назначение.
Вольтамперная характеристика симистора
Симистор - это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания реверсивных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рис. 6.8 а, а его схематическое обозначение на рис. 6.8 б. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором. Вольтамперная характеристика симистора приведена на рис. 6.9.
Как следует из вольтамперной характеристики симистора, прибор включается в любом направлении при подаче на управляющий электрод УЭ положительного импульса управления. Требования к импульсу управления такие же, как и для тиристора. Основные характеристики симистора и система его обозначений такие же, как и для тиристора. Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления. Так, например, симистор КУ208Г может коммутировать переменный ток до 10А при напряжении до 400 В. Отпирающий ток в цепи управления не превышает 0,2 А, а время включения — не более 10 мкс.
1.2 Расчет и выбор тиристоров
Тиристоры выбираются по среднему значению тока, протекающему через них и величине обратного напряжения. При этом должен быть обеспечен достаточный запас по току и напряжению. Учитывается также способ охлаждения.
Наиболее часто используется воздушное (естественное или принудительное) и водяное охлаждение. Водяное охлаждение лучше воздушного, но по конструкции намного сложнее, поэтому его применяют только в мощных приводах. Для охлаждения используем воздушный способ с постановкой тиристора на типовой семирёберный охладитель.
Среднее значение тока тиристора:
 (2.11)
гдеkзi= 1,5 – коэффициент запаса по току;
kох – коэффициент, учитывающий интенсивность охлаждения силового вентиля. При естественном охлаждении kох= 0,35;
 – коэффициент, принимаем по [1, табл.1.9], = 0,333.
Максимальная величина обратного напряжения:
 (2.12)
где kзU= 1,8 – коэффициент запаса по напряжению, учитывающий возможные повышения напряжения питающей сети (включая режим холостого хода) и периодические выбросы Uобр, обусловленные процессом коммутации вентилей;
kUобр – коэффициент обратного напряжения, равный отношению напряжений Ubmax/Ud0, для мостовой схемы выпрямленияkUобр=1,045;
Ud0 – наибольшая величина выпрямленного напряжения преобразователя (среднее значение за период). Для трехфазной мостовой схемы выпрямления Ud0 = 2,34 · U2фн = 2,34 · 238.7= 558,6 В.
Условия выбора тиристоров :
Максимальный средний ток тиристоров открытом состоянии должен быть больше или равен значению  , Iос.ср.max 18.3 А;
Повторяющееся обратное напряжение тиристора должно быть больше или равно значению  , Uобр.п 1051В
Из справочника [3] выбираем марку тиристоров (низкочастотных):
Т122-20-11
Параметры выбранных тиристоров сводим в таблицу 2.2.
Таблица 2.2
Наименование
|
Обозначение
|
Величина
|
Максимальный средний ток в открытом состоянии, А
|
Iос.ср.max
|
20
|
Повторяющееся импульсное обратное напряжение, В
|
Uобр.п
|
1100
|
Ударный неповторяющийся ток в открытом состоянии, А
|
Iос.удр
|
300
|
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии, В/мкс
|
(duзc/dt)кр
|
300
|
Ток удержания, мА
|
Iуд
|
80
|
Импульсное напряжение в открытом состоянии, В
|
Uос,и
|
1,75
|
Отпирающий постоянный ток управления, мА
|
Iупр
|
60
|
Время включения, мкс
|
tвкл
|
10
|
Время выключения, мкс
|
tвыкл
|
100
|
Отпирающее постоянное напряжение, В
|
Uупр
|
3
|
Практическое занятие
«Исследование работы тиристора»
Группа__________________________
ФИО студента___________________
Цель: изучить основные параметры и свойства тиристоров, научиться их рассчитывать и выбирать.
Порядок выполнения работы:
Изучить теоретический материал.
Выполнить практическое задание и произвести расчеты согласно своего задания.
Записать из чего состоят потери в тиристоре
(max 1 балл)
|
|
Перечислить условия для выбора тиристоров
(max 1 балл)
|
|
Заполнить в таблицу особенности работы и условные обозначения
(max 3 балла)
|
Тиристор
|
Динистор
|
Симистор
|
|
|
|
|
Представить схематично тиристор двумя биполярными транзисторами
(max 1 балл)
|
|
Перечислить пять характерных участков Вольт-амперной характеристики тиристора
(max 1 балл)
|
|
Изобразить структуру динистора и его схематическое изображение
(max 0,5 балла)
|
|
Как называются тиристоры, которые могут быть выключены по управляющему электроду импульсом тока обратного знака (max 0,5 балла)
|
|
Записать в каких возможных состояниях в процессе работы может находиться тиристор (описать эти состояния)
(max 0,5 балла)
|
|
Подписать величины
(max 0,5 балла)
|
Uвкл -
Iвкл -
Iуд (Iвыкл) –
Uуд (Uвыкл)-
|
Записать разницу между тиристором и динистором, сравнить их вольт-амперные характеристики
(max 0,5 балла)
|
|
Написать синквейн к слову «тиристор»
ПримерПушкин
Два прилагательных (великий, талантливый)
Три глагола (писал, творил, любил)
Суть (великий русский писатель)
Синоним (гений).
(2 балла)
|
| |
Скачать 182.41 Kb.