Zespół Szkół nr 9 im Romualda Traugutta

w Koszalinie

Temat ćwiczenia:

Badanie tyrystorów

Koszalin rok szk. 2002/2003

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości sterowanych elementów półprzewodniko­wych, wykorzystujących struktury p-n-p-n, zwłaszcza tyrystorów. Zadaniem ćwiczenia jest także poznanie podstawowych metod badania tych elementów, jak również sposo­bów ich sterowania.

2. Wprowadzenie

Rys.1. Tyrystor: a) symbol graficzny; b) charakterystyka prą­dowo-napięciową

1 — prąd bramki I_G > 0; 2 — prąd bramki j_g = O

Sterowane elementy półprzewodnikowe stanowią grupę elementów, których wspólną ce­chą jest dwustanowość charakterystyki prądowo-napięciowej, tzn. elementy te mogą znajdować się w stanie zaporowym lub w stanie przewodzenia. Przejście z jednego stanu do drugiego zachodzi skokowo. Najczęściej stosowanymi elementami tego rodzaju są tyrystory. Na rys.l a przedstawiono symbol graficzny, natomiast na rys. 2 — jego charakterystykę prądowo-napięciową.

Przy polaryzacji w kierunku wstecznym (zaporowym) charakterystyka prądowo-napięciowa tyrystora jest taka sama jak zwykłej diody krzemowej

Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia można natomiast wyróżnić na niej trzy odcinki (rys. l b):

1. Odcinek od punktu O do B — odpowiada stanowi identycznemu z polaryzacją wstecz­ną: przez tyrystor płynie prąd o wartości zbliżonej do wartości prądu wstecznego. Stan ten nazywa się stabilnym stanem blokowania.

2. Odcinek B-H. W punkcie B następuje przegięcie charakterystyki, która przechodzi w odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej. Napięcie U_(B0), od którego począwszy następuje wzrost prądu i zmniejszenie napięcia na tyrystorze, nazywa się granicznym napięciem przełączania, a odpowiadający mu prąd I_(BO) — granicznym prądem prze­łączania. W punkcie przegięcia B rezystancja dynamiczna tyrystora jest równa zeru. Po osiągnięciu tego punktu tyrystor przechodzi ze stanu blokowania w stan przewo­dzenia, przy czym prąd płynący przez tyrystor osiąga wartość zależną od impedancji obciążenia. Prąd I_HS nazywa się prądem załączenia;

3. Odcinek H-A. Powyżej punktu H charakterystyka tyrystora ma taki sam kształt jak charakterystyka zwykłej diody krzemowej w zakresie przewodzenia. Tyrystor nie po­wróci do stanu blokowania, jeżeli prąd anodowy nie zostanie zmniejszony do wartości mniejszej niż prąd podtrzymania I_H.

W przypadku tyrystorów przyjęto następującą symbolikę: U_T — napięcie przewodzenia U_R - napięcie wsteczne, U_D - napięcie blokowania i odpowiednio I_T  - prąd przewodze­nia, I_R - prąd wsteczny, I_D - prąd blokowania, U_A - napięcie anodowe, I_A - prąd anody.

Załączenie tyrystora, czyli przejście ze stanu blokowania do stanu przewodzenia, jest zwykle wywołane doprowadzeniem do bramki dodatniego impulsu. Z tego względu jedną z najistotniejszych charaktery­styk tyrystora jest charaktery­styka napięciowo-prądowa obwodu bramki, nazywana tez charakterystyką przełączania prądem bramki (wyzwalania). Charakterystykę tę przedsta­wia się w postaci pewnej po­wierzchni zamkniętej ograni­czonej skrajnymi dla danego typu tyrystorów przebiegami zależności napięcia bramki w stanie przewodzenia U_fg do prądu przewodzenia bramki I_fg, maksymalnym dopuszczal­nym napięciem bramki U_FGmax maksymalnym dopuszczalnym prądem bramki I_FGmax oraz maksymalną dopuszczalną mocą strat w bramce PtGmax (rys. 2) Powierzchnia taka obejmuje wszystkie egzemplarze danego typu tyrystorów i moż­na w niej wyróżnić następujące obszary:

Rys. 2. Pole charakterystyk przełączania prądem bramki (wyzwalania) tyrystora.

lPrądem bramki IpGmax oraz maksymalną dopuszczalną mocą strat w bramce PtGmax (rys 7 2) Powierzchnia taka obejmuje wszystkie egzemplarze danego typu tyrystorów i moż­na w niej wyróżnić następujące obszary:

1 — Obszar nieprzełączania tyrystorów, czyli obszar zawierający takie wartości napięć i prądów bramkowych, które nie spowodują przełączenia żadnego egzemplarza tyry­stora danego typu. Napięcie ograniczające ten obszar U_gd nazywa się napięciem nieprzełączającym bramki, a prąd I_GD — prądem nieprzełączającym bramki

2 — Obszar możliwych przełączeń tyrystorów, w którym można uzyskać przełączenie wybranych egzemplarzy tyrystorów określonego typu. Obszar ten jest ograniczony na­pięciem przełączającym bramki U_GT i prądem przełączającym bramki I_GT.

3 — Obszar pewnych przełączeń tyrystorów, który wyznacza wartości napięć i prądów bramkowych, gwarantujących przełączenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorów danego typu. Wartości napięcia i prądu bramki pod­czas przełączenia należy dobierać tak, aby punkt pracy leżał w tym obszarze.

4 — Obszar możliwych uszkodzeń obwodu bramkowego, który znajduje się poza krzywą dopuszczalnej mocy strat w bramce. Takie warunki pracy obwodu bramki powinny być wykluczone.

Proces odwrotny — wyłączanie tyrystora, czyli przejście ze stanu przewodzenia w stan

blokowania lub zaporowym, w zakresie normalnie występujących prądów przewodzenia odbywa się przez zmianę kierunku napięcia anoda-katoda

Niektóre odmiany struktur p-n-p-n mogą być wyłączane ujemnym impulsem prądu bramki Elementy specjalnie zaprojektowane do wyłączania bramkowego, tzw tyrystory wyłączanie znane są pod rożnymi nazwami handlowymi, takimi jak GTO, SCS, GCS. Ich symbol graficz­ny pokazano na rys. 3a. Cza­sem w takim tyrystorze od stro­ny anody występuje również elektroda sterująca. Działa ona podobnie jak bramka i w celu włączenia tyrystora należy do­prowadzić do niej napięcie uje­mne względem anody, a przy wyłączeniu napięcie dodatnie. Symbol takiego elementu przedstawiono na rys. 3b.

Spotyka się również elementy o charakterystyce prądowo-napięciowej zbliżonej do charakterystyki tyrystora, nie mające wyprowadzonej bramki. Elementy te są nazywane diodami czterowarstwowymi. Przełączanie diody czterowarstwowej odbywa się przede wszystkim przez zmianę napięcia anoda-katoda.

Tak jak dioda czterowarstwowa, z tą różnicą ze napięcie po włączeniu zmniejsza się o sto­sunkowo małą wartość, me zbliżając się do zera, zachowuje się tzw. dioda spustowa - diak. Istnieją również diody spustowe symetryczne, tzn. takie, których charakterystyka w trze­ciej i w pierwszej ćwiartce jest symetryczna względem zerowego punktu (rys.4). Takie diody nadają się szczególnie do wytwarzania impulsów włączających tyrystor.

Podstawowa wada tyrystorów, jaką jest możliwość przewodzenia prądu tylko w jednym kierunku, została wyeliminowana w tzw tyrystorach symetrycznych - triakach. Triaki można włączać zarówno przy dodatnim, jak i ujemnym napięciu anoda-katoda. Naj­częściej spotyka się triaki, które są przełączane w stan przewodzenia w jednym kierunku prądem o polaryzacji dodatniej a w drugim kierunku - prądem o polaryzacji ujemnej. Na rys.5a pokazano symbol graficzny triaka, a na rys. 5b - jego charakterystykę prądowo-napięciową.

Tyrystory są stosowane najczęściej w obwodach, w których płyną duże prądy i występują dość znaczne napięcia. Przy tego typu zastosowaniach, oprócz parametrów charaktery­zujących właściwości tyrystora przy normalnej pracy w układzie, szczególne znaczenie mają wartości graniczne prądów, napięć i mocy, których nie można przekraczać podczas eksploatacji, np:

• powtarzalne napięcie szczytowe w stanie blokowania U_drm, czyli dopuszczalna war­tość szczytowa napięcia blo­kowania,

• powtarzalne napięcie szczy­towe wsteczne U_rrm, czyli dopuszczalna wartość szczy­towa napięcia wstecznego;

• dopuszczalny prąd przewo­dzenia I_T(AV), określający dopuszczalną składową sta­łą prądu anodowego,

• powtarzalny szczytowy prąd przewodzenia I_T(RV), czyli dopuszczalna szczytowa war­tość prądu przewodzenia.

Do parametrów granicznych należy także szereg parametrów wymienionych już wcześniej, jak np. maksymalne dopusz­czalne napięcie bramki U_FGmax, maksymalny dopuszczalny prąd bramki I_FGmax maksymalna dopuszczalna moc strat w bramce P_Fgmax.

Obecnie są wytwarzane tyrystory o dopuszczalnych prądach przewodzenia od kilkuset miliamperów do kilku kiloamperów i dopuszczalnych napięciach wstecznych od kilku­nastu woltów do kilku kilowoltów.

Tyrystory stosuje się powszechnie np. w energoelektryce, trakcji elektrycznej, napędach elektrycznych, w układach regulacji o dużych mocach itd. Ze względu na szereg zalet wyparły one prawie zupełnie takie elementy jak tyratrony, ignitrony, transduktory

4

Badanie tyrystorów.

5

Przygotowanie teoretyczne.

Rys. 3. Symbole graficzne: a) tyrystora wyłączalnego, b) tyrystora dwubramkowego

Rys. 4. Dioda spustowa symetryczna - diak a) symbol graficzny, b) charakterystyka prądowo-napięciowa

Rys. 5. Triak: a) symbol graficzny; b) charakterystyka prądowo napięciowa

---