Чичилин А.А.: Задания для лабораторных работ по электронике
Лабораторная работа 3 Исследование регуляторов мощности на тиристоре и симисторе
Цель работы: Изучение особенностей работы динисторов, тиристоров и симисторов в цепях постоянного и переменного тока.
Общие сведения
Имеется группа полупроводниковых приборов с набором последовательно чередующихся областей p- и n - типов проводимости. Типичными представителями таких приборов, имеющих четыре области последовательно разной проводимости, являются динисторы и тиристоры.
Чередование областей показано на следующем рисунке:
Наружная p-область и вывод от неё называется анодом. Наружная n-область и вывод от неё называется катодом. Внутренние p- и n-области называются базами. Крайние p-n переходы называются эмиттерными, а средний p-n переход называется коллекторным.
При обратном включении: минус на аноде и плюс на катоде, эмиттерные переходы закрыты, а коллекторный переход открыт. Основные носители зарядов из анода и катода не смогут перейти в базу, поэтому через прибор будет протекать только маленький обратный ток, вызванный не основными носителями заряда.
При прямом включении: плюс на аноде и минус катоде, эмиттерные переходы будут открыты, а коллекторный переход закрыт, через динистор будет протекать прямой ток, но он тоже будет небольшим. Однако при увеличении прямого напряжения до определённой величины происходит электрический пробой внутреннего коллекторного перехода. Сопротивление прибора резко уменьшается, прямой ток через него сильно увеличивается, а падение напряжения на нём значительно уменьшается. Считается, что прибор перешёл из выключенного состояния во включённое.
Вольтамперная характеристика такого четырёхслойного полупроводникового прибора показана на следующем рисунке
Динисторы и тиристоры характеризуется следующими основными параметрами:
- напряжение включения (Uвкл);
- ток включения (Iвкл) - это ток, соответствующий напряжению включения;
- ток выключения (Iвыкл) - это минимальный ток, при котором прибор ещё включён;
- остаточное напряжение (Uост) - это минимальное напряжение на приборе во включённом состоянии;
- ток утечки (Io) - это ток в выключенном состоянии при заданном напряжении на аноде;
- максимально допустимый прямой ток (Iпр.max);
- максимально допустимое обратное напряжение (Uобр.max).
Динисторы – это неуправляемые переключающие диоды, а тиристоры (тринисторы) - управляемые переключающие диоды (Silicon Controlled Rectifier, SCR);
Динистор имеет два вывода и следующее условное графическое обозначение:
Динисторы различаются напряжением включения и допустимым прямым током, и используются в цепях постоянного тока как пороговый элемент, - элемент включения при достижении напряжением порогового значения.
Тиристоры имеют третий вывод – управляющий электрод, подключённый к одной из внутренних областей (к одной из баз). Изменением напряжения на управляющем электроде можно управлять напряжением включения тиристора.
В зависимости от используемой базы управляющее напряжение может быть положительным, - тиристор с управлением по аноду, или отрицательным, - тиристор с управлением по катоду.
Тиристор имеет семейство ВАХ, каждая из которых отображает зависимость напряжения включения от тока управления.
Тиристоры различаются напряжением включения и допустимым прямым током. В цепях постоянного тока используются как элементы коммутации, - элементы бесконтактного переключения (коммутации) больших нагрузок (токов).
Для включения тиристора достаточно подать импульс тока управления, достаточного для включения на рабочем напряжении.Типовая схема запуска тиристора показана на следующем рисунке
В цепях постоянного тока тиристор можно перевести в выключенное состояние размыканием цепи нагрузки, замыканием его анода и катода или соответствующей коммутацией управляющего электроде. Примеры управления отключением тиристора показаны на следующем рисунке:
При использовании тиристора в цепях переменного тока его отключение происходит каждый раз при изменении полярности рабочего напряжения. Это делает возможным применение тиристоров в цепях регулировки мощности.
Тиристор можно открыть в то время, когда напряжение на его аноде положительно. После окончания полуволны переменного напряжения тиристор закроется. Действующее значение напряжения на нагрузке будет меняться в зависимости от «угла открытия» тиристора.
Используется два способа управления открытием тиристора: токовый, когда управляющий ток действует постоянно и синфазно с анодным напряжением, и фазовый, когда для включения тиристора используются управляющие импульсы, формируемые специальным устройством.
При токовом управлении действующий ток нагрузки изменяется только до половины значения полного тока, так как при таком управлении «угол открытия» невозможно сделать больше чем π/2.
При фазовом управлении «угол открытия» может быть любым в диапазоне от 0 до π. В момент подачи управляющего импульса ток через тиристор изменяется скачком и далее течет в соответствии с приложенным напряжением. Переданная мощность пропорциональна площади эпюры пропускаемого тока. При увеличении « угла открытия», - смещении управляющего импульса вправо, переданная мощность уменьшается.
Фазовое управление тиристором требует построения сложных аналоговых схем формирования управляющих импульсов, синхронизированных с фазами питающего напряжения. Выходное напряжение приобретает несинусоидальную форму, что ведет к формированию высокочастотных помех.
Тиристор как регулятор мощности передаёт в нагрузку мощность только одного из двух периодов рабочего напряжения.
Разновидностью динисторов и тиристоров является симистор.
Симистор имеет дополнительный p-n переход рядом с анодом или катодом. Такая конструктивная особенность симистора обуславливает симметричность его вольтамперной характеристики, а, следовательно, и равнозначность его основных выводов.
Используются как неуправляемые симисторы или двунаправленные переключающие диоды, так и управляемые симисторы, которые изображаются на схемах соответственно следующим образом:
При этом неуправляемые симисторы, как и динисторы, имеют одну вольтамперную характеристику, а управляемые сиимисторы – семейство ВАХ.
Управляемые симисторы используются в цепях переменного тока и прежде всего как регуляторы мощности. При этом в нагрузку передаётся мощность от двух периодов рабочего напряжения.
Маркировка динисторов, тиристоров и симисторов состоит из четырёх обозначений:
1 – буква или цифра, К(2) - кремний;
2 – буква, обозначающая тип прибора по принципу действия: Н – неуправляемый; У – управляемый;
3 – число из трёх цифр и буква, определяющие электрические параметры.
Буквенное обозначение на схемах электрических принципиальных – VD.