Zakład Energoelektroniki, Robotyki i Automatyzacji
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Cz
ę
stochowa 2005
Ćwiczenie nr 2 :
CHARAKTERYSTYKI TERMICZNE TYRYSTORA (CT)
(Badanie wpływu temperatury na własno
ś
ci tyrystora SCR)
Zakład Energoelektroniki, Robotyki i Automatyzacji
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
Cz
ę
stochowa 2005
Ćwiczenie nr 2 :
CHARAKTERYSTYKI TERMICZNE TYRYSTORA (CT)
(Badanie wpływu temperatury na własno
ś
ci tyrystora SCR)
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005
Charakterystyki termiczne tyrystora CT
str.
opr. Marian Kępiński
2/7
1. WP RO W ADZE NI E
1A. Cel
ć
wiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, właściwości
i charakterystyk tyrystora SCR oraz wpływu temperatury struktury
na parametry i charakterystyki przyrządu.
1B. Tyrystor SCR
Tyrystor SCR (ang. Silicon Controlled Rectifier) jest sterowanym
przyrządem półprzewodnikowym o strukturze czterowarstwowej pnpn
z wyprowadzonymi elektrodami: anodą, katodą i bramką (rys.1).
Rys.1 Symbol tyrystora SCR (
http://elektro.w.interia.pl/
)
Uproszczony schemat zastępczy (rys.2) przedstawia zasadę działania
tyrystora. W stanie spoczynku oba tranzystory nie przewodzą. Po podaniu
impulsu na bazę włącza się tranzystor npn. Prąd jego kolektora powoduje
otwarcie tranzystora pnp. Z kolei prąd kolektora pnp popłynie do bazy npn -
podtrzymując jego otwarcie, po zaniku impulsu. Wystarczy podać nawet
krótki impuls na bramkę, by otworzyć tyrystor na stałe. Układ będzie
przewodził aŜ do zaniku lub zmiany polaryzacji napięcia zasilającego.
Rys.2 Schemat zast
ę
pczy tyrystora (
http://elektro.w.interia.pl/
)
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005
Charakterystyki termiczne tyrystora CT
str.
opr. Marian Kępiński
3/7
W zaleŜności od polaryzacji anody względem katody tyrystor moŜe
znajdować się w stanie zaworowym lub blokowania. Po doprowadzeniu
dodatniego impulsu prądowego do bramki (gdy przyrząd znajduje się
w stanie blokowania), następuje jego załączenie i przejście do stanu
przewodzenia. Wyłączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia
w stan blokowania lub zaworowy, wymaga zmniejszenia prądu anodowego
tyrystora do wartości mniejszej od prądu podtrzymania I
H
lub zmiany
polaryzacji napięcia anoda-katoda. Właściwości tyrystora w tych stanach
pracy przedstawia charakterystyka główna (rys.3), obrazująca zaleŜność
prądu anodowego od napięcia anoda-katoda.
Rys.3 Charakterystyka pr
ą
dowo-napi
ę
ciowa tyrystora SCR
(
http://elektro.w.interia.pl/energoel/tyrystory.html
)
Obwód bramka - katoda wykazuje właściwości diodowego złącza pn (rys.4a)
o niewielkim napięciu przebicia przy polaryzacji wstecznej. PoniewaŜ
charakterystyki bramkowe tyrystorów wskazują stosunkowo duŜy rozrzut,
katalogowe
charakterystyki
napięciowo-prądowe
bramki
tyrystora
przedstawione są w postaci dwóch krzywych granicznych (rys.4b), między
którymi powinna leŜeć charakterystyka dowolnie wybranego egzemplarza
tyrystora danego typu. Prosta obciąŜenia źródła sygnału sterującego powinna
przecinać napięciowo-prądową charakterystykę bramkową danego tyrystora
w obszarze pewnych przełączeń.
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005
Charakterystyki termiczne tyrystora CT
str.
opr. Marian Kępiński
4/7
a)
b)
c)
Rys. 4. Przykładowa charakterystyka obwodu bramkowego (a), schemat zast
ę
pczy
ź
ródła
sygnałów steruj
ą
cych (b), charakterystyka i obszary pracy obwodu bramki (c)
Oznaczenia na rys.4:
U
Gmax
- maksymalne szczytowe napi
ę
cie przewodzenia bramki
I
Gmax
- maksymalny szczytowy pr
ą
d przewodzenia bramki
U
G on
- napi
ę
cia przeł
ą
czaj
ą
ce (wyzwalaj
ą
ce) bramki
I
G on
- pr
ą
d przeł
ą
czaj
ą
cy (wyzwalaj
ą
cy) bramki
P
Gmax
- hiperbola dopuszczalnej straty mocy w bramce
pr.obc. - prosta obci
ąŜ
enia obwodu bramkowego
υ
j
- temperatury zł
ą
cza bramka-katoda
NZ
- obszar niemo
Ŝ
liwych przeł
ą
cze
ń
tyrystora, Na rys. podana jest równie
Ŝ
najwi
ę
ksza
warto
ść
napi
ę
cia i pr
ą
du bramki, która nie powoduje wł
ą
czenia tyrystora danego typu.
MZ
- obszar mo
Ŝ
liwych przeł
ą
cze
ń
tyrystora lub tzw. obszar niepewnego wyzwalania.
Proste pionowe i poziome, które przecinaj
ą
ten obszar, wyznaczaj
ą
minimaln
ą
warto
ść
pr
ą
du i napi
ę
cia bramki niezb
ę
dn
ą
do wyzwolenia tyrystora przy okre
ś
lonej
temperaturze struktury.
PZ
- obszar pewnych przeł
ą
cze
ń
(pewnego wyzwalania).
U
G
E
G
I
G
R
G
Th
I
G
U
G
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005
Charakterystyki termiczne tyrystora CT
str.
opr. Marian Kępiński
5/7
Oprócz wyzwalania bramkowego, przejście tyrystora ze stanu blokowania
do stanu przewodzenia moŜe nastąpić:
przy przekroczeniu pewnej granicznej wartości napięcia blokowania
U
D
między anodą i katodą tyrystora,
przy przekroczeniu granicznej temperatury,
pod wpływem promieniowania świetlnego doprowadzonego do złącza
pn,
przy przekroczeniu pewnej wartości stromości narastania napięcia
blokowania na tyrystorze du/dt (prąd pojemnościowy płynący przez
złącze moŜe wywołać taki sam efekt jak prąd bramki).
Rys.5 Tyrystor SCR 6500V, 1500A, 50
µ
s,
produkcji ABB (
theelectrostore.com/
)
Rys.6 Moduł 2 x SCR chłodzony wod
ą
(
www.torontosurplus.com
)
1C. Wła
ś
ciwo
ś
ci termiczne przyrz
ą
dów energoelektronicznych
Przyrządy półprzewodnikowe utrzymują swoje katalogowe parametry
statyczne i dynamiczne jedynie wówczas, gdy temperatura struktury zawarta
jest w dopuszczalnym zakresie. Szczególnie niekorzystny jest wzrost
temperatury półprzewodnika powyŜej temperatury granicznej, co moŜe
powodować utratę własności elementu, np. samoczynne załączenie tyrystora
i w konsekwencji uszkodzenie układu (zniszczenie elementu). Nagrzewanie
przyrządów energoelektronicznych następuje w wyniku wydzielających się
w strukturze strat energii występujących w stanie przewodzenia, przy
przełączeniach oraz w stanach blokowania i zaworowym. Ciepło wynikające
ze strat musi być skutecznie odprowadzane do otoczenia przy pomocy
systemów chłodzenia (radiatory, wentylacja itp.).
LABORATORIUM ENERGOELEKTRONIKI
aktual. 1 marca 2005
Charakterystyki termiczne tyrystora CT
str.
opr. Marian Kępiński
6/7
2. PROGRAM
Ć
WICZENIA
1.
Połączyć układ pomiarowy według załączonego schematu.
2.
Włączyć napięcia zasilania układu pomiarowego oraz obwód podgrzewania
struktury tyrystora.
3.
Dla temperatur struktury zmienianych od 20
o
C do 120
o
C, co 20
o
C zmierzyć
charakterystyki obwodu bramkowego tyrystora U
G
= f (I
G
), zadając wartości
prądu I
G
w zakresie 0 – 40 mA, co 2mA.
4.
Dla kaŜdej z temperatur odczytać wartość napięcia przewodzenia tyrystora U
F
oraz określić wartości napięcia U
G min
i prądu I
G min
bramki, przy których
nastąpiło załączenie tyrystora.
3. OPRACOWANIE SPRAWOZDANIE
1.
Na wspólnym wykresie wykreślić rodzinę charakterystyk U
G
= f (I
G
) dla
poszczególnych temperatur, zaznaczając punkty w których nastąpiło załączenie
tyrystora.
2.
Odczytać z charakterystyk wartości prądów i napięć bramki U
G min
, I
G min
,
przy których następuje załączenie tyrystora.
3.
Wykreślić charakterystykę zaleŜności prądu bramki, przy którym następuje
załączenie tyrystora od temperatury I
G min
= f (T).
4.
Wykreślić charakterystykę zaleŜności napięcia bramki, przy którym następuje
załączenie tyrystora od temperatury U
G min
= f (T).
5.
Wykreślić zaleŜność napięcia przewodzenia tyrystora od temperatury U
F
= f(T).
6.
WNIOSKI
- Omówić wpływ temperatury na własności i charakterystyki tyrystora SCR.
L
A
B
O
R
A
T
O
R
IU
M
E
N
E
R
G
O
E
L
E
K
T
R
O
N
IK
I
ak
tu
a
l.
1
m
ar
ca
2
0
0
5
C
h
ar
ak
te
ry
st
y
k
i t
er
m
ic
zn
e
ty
ry
st
o
ra
C
T
st
r.
o
p
r.
M
ar
ia
n
K
ę
p
iń
sk
i
7
/7
Schemat układu pomiarowego do badania charakterystyk tyrystora SCR
V
V
mA
R
G
A
K
G
Zasilacz
20V
0 - 10A
Zasilacz
20V
0 - 1A
+
+
+
0 - 300mA
0 - 3V
U
G
U
F
0 - 3V
I
G
A
R
A
0 - 3A
Tyrystor T00-40-12
(40A / 1200V)
I
F
12 / 6,2A
Ω
200 / 1A
Ω