электроника / Лаб №2

Введение

Тиристором называется полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три (или более) выпрямляющих перехода, который может переключаться из закрытого состояния в открытого, и наоборот.

1 Цель работы

Целью работы является:

- исследование вольтамперной характеристики и определение параметров тиристора;

- получение семейства статических характеристик тиристора;

- исследование работы регулируемого однополупериодного выпрями-

теля.

2 Общие теоретические положения

Тиристоры различают диодные (неуправляемые) н триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором. Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры – симисторы.

Динистор — это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три р-п-перехода. Структура динистора приведена на рисунок 1 а. Условное изображение динистора приведено на рисунок 1 б.

Рисунок 1. Структура динистора (а) и его условное графическое изображение (б)

Согласно схеме замещения (рисунок 2) ток через тиристор, равен сумме токов коллекторов обоих транзисторов к тока утечки I_ko.

I=a₁I_Э1+ a₂I_Э2+ I_ko (1.1)

Рисунок 2. Транзисторная схема замещения динистора

Ток во внешней цепи равен I_Э1= I_Э2= I ‚ поэтому после подстановки I в (1.1) можно записать: I(1- a₁- a₂)= I_ko. Отсюда получаем, что значение внешнего тока I равно:

(1.2)

Пока выполняется условие (a₁+a₂)<1 ток в динисторе будет равен I_ko. При соотношения (a₁+a₂)>1 динистор включается и начинает проводить ток.

Различные способы выключения динистора приведены на рисунок 3. В первой схеме прерывается ток в цепи динистора. Во второй схеме падение напряжения на динисторе уменьшается до нуля. В третьей схеме ток динистора понижается до I_выкл включением добавочного резистора R_Д. В четвертой схеме при замыкании ключа К на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора С.

Рисунок 3. Схемы выключения динистора: размыканием цепи (а), шунтированием прибора (б). снижением тока анода (в), подачей обратного напряжения (г): R_Н - сопротивление нагрузки, R_Д - добавочное сопротивление, С – разделительный конденсатор, К — ключ

Тиристор имеет структуру, аналогичную динистору, при этом одна из базовых областей сделана управляющей. Если в одну из баз подать ток управления, то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.

В зависимости от расположения управляющего электрода (УЗ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением.

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.

Снмиетор —- это симметричный тиристор, который предназначен для коммутации в цепях переменного тока. Он может использоваться для создания

разорванных выпрямителей или регуляторов переменного тока. Структура симметричного тиристора приведена на рисунок 4 а, а его условное обозначение на рисунок 4 6. Полупроводниковая структура симистора содержит пять слоев полупроводников с различным типом проводимостей и имеет более сложную конфигурацию по сравнению с тиристором.

Рисунок 4 Структура симметричного тиристора (а) и его условное графическое изображение (б)

Рисунок 5 Вольтамперная характеристика симистора

3 Экспериментальная часть

3.1 Паспортные данные тиристора КУ112А

Максимальное постоянное напряжение в закрытом состоянии	30 В
Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии	30 В
Максимальное среднее за период значение тока в открытом состоянии	320 мА
Максимальная рассеиваемая мощность	0,75 Вт
Максимальный повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии (t=1мкс)	6 А
Напряжение в открытом состоянии, не более	2,4 В
Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора	0,2 мА
Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току	0,8 В
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии	10 В/мкс
Ток утечки в закрытом состоянии, не более	10 мкА
Время включения	1,2 мкс
Время выключения	7 мкс
Диапазон температур	-45..+85°С
Корпус	КТ-27 (TO-126)

Рисунок 6 – Принципиальная электрическая схема для исследования характеристик тиристора и управляемого выпрямителя

Задание 1. Исследование вольтамперной характеристики тиристора.

Измерения проводились следующим образом. С помощью ползункового регулятора, находящегося на передней панели ВП , напряжение источника питания в цепи управляющего электрода Е_упр примерно равным 0.5 В. Нажмаем на панели ВП кнопку «измерение». На графическом индикаторе ВП появится график зависимости анодного тока I_a, тиристора от напряжения на аноде U_a (рисунок 7).

красная

синяя

Рисунок 7 - Полученный график ВАХ

Линия красного цвета соответствует режиму монотонного увеличении анодного напряжения U_a от 0 В до 10 В.

Линия синего цвета соответствует режиму монотонного уменьшения анодного напряжения от 10 В до 0 В при неизменном напряжении управления Е_упр.

Отрезки пунктирных линий соответствуют не поддающимся измерению с помощью данного ВП разрывам на ВАХ в моменты переключения тиристора.

Определяем величину анодного тока Iа и напряжения на аноде Uа в момент включения тиристора (рисунок 8).

Рисунок 8 – Полученный график ВАХ

Результаты I_{а вкл.}, U_{а вкл} занесены в таблицу 1.

Определение остаточного напряжения на тиристоре (рисунок 9).

Рисунок 9 – Полученный график ВАХ

Результаты I_{а ост}, U_{а ост} занесены в таблицу 1.

Определение тока и напряжения выключения тиристора (рисунок 10).

Рисунок 10 – Полученный график ВАХ

Результаты I_{а выкл.}, U_{а выкл.} занесены в таблицу 1.

Напряжение и ток при котором на ВАХ тиристора отсутствует пологий участок I_упр., U_упр.

Таблица 1.

Iа вкл. мА.	Iа ост. мА.	Iа выкл. мА.	Iупр. мА	Uа вкл. В	Uа ост. В	Uа выкл. В	Uупр. В
0,01	10	0,48	0,51	1,30	0,72	0,63	0,026

Вывод: После включения, управляющий электрод теряет свои управляющие свойства, следовательно, тиристор выключать нельзя.

Задание 2. Получение семейств статических характеристик тиристора

Измерения проводились следующим образом. С Помощью цифровых элементов управления, расположенных на передней панели ВП, устанавливаем полученные при выполнении задания 1минимальное Е_упр.min и максимальное Е_упр.max значения напряжения на выходе источника ЭДС управления. После измерения на графическом индикаторе ВП появится изображение семейства статических характеристик тиристора, представляющих собой зависимости анодного тока от напряжения на аноде при фиксированных значениях тока управляющего электрода I_упр. Установившиеся при этом значения I_упр

отображаются на поле графика в виде таблицы (рисунок 11).

синяя

красная

зеленая

Рисунок 11 – Полученный график ВАХ

Для каждой полученной характеристики определяем анодный ток Iа.вкл и напряжение на аноде Uа.вкл в момент включения тиристора. Полученные результаты занесены в таблицу 2.

Таблица 2.

	Зеленая	Красная	Синяя
Iа.вкл, мА	1	2	2,76
Uа.вкл, в	1,24	1,62	2,02

Вывод: Из графика (рисунок 11) видим при увеличении тока на аноде, уменьшается напряжение включения тиристора. Ток на аноде не меняется. Следовательно напряжение определяет семейство статических характеристик тиристора

Задание 3. Исследование работы управляемого однополупериодного выпрямителя

Измерения проводились следующим образом . С помощью элементов управления ВП устанавливаем следующие параметры входного сигнала: частота примерно 200 Гц, амплитуда примерно 9,0 В. С помощью ползункового регулятора схемы управления устанавливаем задержку импульсов управления относительно входного сигнала, соответствующую углу включения тиристора, равному примерно 90 градусов. На верхнем графическом индикаторе можно наблюдать изображение входного сигнала (синий цвет) и импульсов управления (красный цвет), на нижнем и выходное напряжение на нагрузке U_н (синий цвет) и средний уровень этого напряжения U_н.ср. (красный цвет) рисунок 12.

синяя

красная

синяя

красная

Рисунок 12 – Полученный график ВАХ

Определяем диапазон изменения угла включения тиристора (αmin, αmax).

Соответствующие величины равны:

Α_min = 17 град; U_{н. ср.} = 0,93 В

Α_max = 168 град; U_{н. ср} = 0,01 В

Устанавливаем полеченную α_min, и определяем мгновенные значения напряжения на нагрузке, соответствующие моментам включения U_{н. вкл.} и выключения U_{н выкл.} тиристора и максимальное мгновенное напряжение на нагрузке U_{н max}.

Соответствующие величины равны:

U_{н max} = 3.23 В;

U_{н. вкл.}= 0,57 В;

U_{н выкл} = 0,7 В.

Сравниваем напряжение U_{н. вкл} = 0,57 В с напряжением U_{а вкл.} = 1.30 В а напряжение U_{н выкл.} = 0,7 В с напряжением U_{а выкл} = 0,63 В.

Вычислим разность между амплитудой входного сигнала и максимальным мгновенным напряжением ΔU = U_{вх. м} – U_{н. max}. Сравнить полученное значение с величиной остаточного напряжения тиристора U_{a ост}

ΔU = 4 – 3,23=0,77 ; U_{а ост.} = 0,72.

Вывод: Напряжение на нагрузке в момент включения и выключения выпрямителя гораздо меньше чем напряжение на аноде в определенные моменты. Диапазон изменения угла от 17 до 168 град..

Проанализировав полученные результаты, можно констатировать следующее:

1. тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;

2. управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока.