Исследование управляемых выпрямителей на тиристорах.

User Rating: 3 / 5

Star ActiveStar ActiveStar ActiveStar InactiveStar Inactive
 

Исследование управляемых выпрямителей на тиристорах.

Дисциплины: «Физическая электроника», «Физические основы электроники»,
«Электротехника и электроника».


1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

Ознакомиться с устройством и электрическими свойствами тиристора. Исследовать характеристики однополупериодного выпрямителя.

2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ.

2.1 ТИРИСТОР.

В современных электронных устройствах преобразования электрической энергии широкое применение в качестве основных силовых управляемых элементов получили полупроводниковые управляемые диоды - тиристоры, обладающие высокими эксплуатационными свойствами: малыми удельными габаритами и массой, высокими КПД и быстродействием, продолжительным сроком работы, значительными допустимыми напряжениями и токами, возможностью импульсного управления. На основе тиристоров разработаны экономичные, надежные малогабаритные управляемые вторичные источники электропитания, широко используемые в электроприводах, автоматике, робототехнике, системах управления и во многих других случаях, когда требуется регулируемое постоянное или переменное напряжение неизменной или регулируемой частоты.

Тиристором называют полупроводниковый управляемый прибор ключевого типа с четырехслойной структурой р -п - р- n (см. рис 1), имеющий только два устойчивых электрических состояния - закрытое или открытое (выключенное или включенное); переход из закрытого состояния в открытое, т.е. включение тиристора, осуществляется по цепи управления с помощью маломощного электрического сигнала управления. Выключенное состояние тиристора характеризуется очень большим значением сопротивления между анодом и катодом, а включенное состояние - очень малым сопротивлением между анодом и катодом.

Существуют тиристоры, выключение которых по цепи управления производиться не может, поэтому они получили название однооперационных, т.е. неполностью управляемых. Есть и двухоперационные тиристоры, однако из-за маломощности они нашли ограниченное применение, в основном в устройствах автоматики.
Рис. 1.1
Таким образом, тиристор в электрических цепях является аналогом бесконтактного выключателя.
Условное графическое и буквенное обозначение однооперационного тиристора с условно положительными направлениями токов и напряжений показано на рис. 1.1.
Тиристор имеет три внешних вывода: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Силовой цепью тиристора, по которой проходит выключаемый (коммутируемый) ток, является участок цепи А – К. Цепью управления является участок УЭ – К. Включение тиристора возможно только при положительном токе управления IУ > 0, проходящем по цепи управления, и положительном напряжении между А и К, т.е.. UA > 0.

2.2 ВАХ тиристора.

Свойства тиристора как элемента простейшей электрической цепи (рис.2а) иллюстрируются его статической вольтамперной характеристикой (ВАХ), которая при указанных положительных направлениях токов и напряжении представлена на рис.2б.
Часть ВАХ в третьем квадранте (линия OD) соответствует отрицательному, т.е. обратному, анодному напряжению, при котором тиристор всегда выключен вне зависимости от значения и направления тока управления. Если обратное напряжение превышает значение UП , то тиристор выходит из строя.
Если ток в цепи управления отсутствует, а прямое тиристора обратное напряжение не должно превышать значение UОБР max , которое указывается в справочниках анодное напряжение не превышает напряжения переключения UПЕР (точка А), то тиристор выключен и ток в анодной цепи незначительный (линия ОА). Если же прямое анодное напряжение превысит значение UПЕР , то тиристор включается и анодный ток практически ограничивается значением RH (см. рис.2а). При увеличении тока управления включение тиристора происходит при меньших значениях прямого анодного напряжения. После включения электрическое состояние тиристора характеризуется малым сопротивлением между анодом и катодом (линия ВС). Включенное состояние тиристора сохраняется и по окончании действия тока управления. Лишь если анодный ток становится меньше некоторого значения, называемого током удержания IУД (точка В), то тиристор выключается. При некотором значении тока управления прямая ветвь ВАХ тиристора становится аналогичной ВАХ неуправляемого диода (участок ОВС), т.е. “спрямляется”; этот ток называют током управления спрямления IУ СПР . При отрицательных токах управления работа тиристоров не рекомендуется.
На практике обычно используют импульсный способ включения тиристоров, при котором ток управления формируют в виде коротких (порядка нескольких микросекунд) положительных импульсов с большой скоростью нарастания. После окончания импульса управления тиристор остается во включенном состоянии, если анодный ток, зависящий от напряжения U и сопротивления RH (см. рис.2а), будет больше тока удержания IУД .
Выключение тиристора произойдет, если каким-либо образом уменьшить анодный ток до значения, меньшего, чем значение тока удержания IУД . Существуют различные схемы выключения тиристоров, построение которых во многом определяется принципом работы конкретного электронного устройства. Так, при работе тиристора в цепи переменного тока, когда напряжение между анодом и катодом тиристора периодически изменяет свой знак, тиристор закрывается в момент перехода анодного тока через нулевое значение (режим свободной коммутации) и никакой специальной схемы не требуется. В цепях постоянного тока для запирания тиристора вводят специальные элементы, обеспечивающие кратковременное уменьшение анодного тока до уровня, меньшего, чем ток удержания, что чаще всего осуществляют приложением к силовой цепи тиристора обратного анодного напряжения. Таким элементом чаще всего является конденсатор.

2.3 Параметры тиристоров.

1. Напряжение включения (Uвкл) – это такое напряжение, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
2. Повторяющееся импульсное обратное напряжение (Uo6p.max ) - это напряжение, при котором наступает электрический пробой. Для большинства тиристоров Uвкл = Uo6p.max.
3. Максимально допустимый прямой, средний за период ток.
4. Прямое падение напряжения на открытом тиристоре (Unp = 0,5÷1В).
5. Обратный максимальный ток – это ток, обусловленный движением неосновных носителей при приложении напряжения обратной полярности.
6. Ток удержания – это анодный ток, при котором тиристор закрывается.
7. Время отключения – это время, в течение которого закрывается тиристор.
8. Предельная скорость нарастания анодного тока . Если анодный ток будет быстро нарастать, то p-n переходы будут загружаться током неравномерно, вследствие чего будет происходить местный перегрев и тепловой пробой .
9. Предельная скорость нарастания анодного напряжения . Если предельная скорость нарастания анодного напряжения будет больше паспортной, тиристор может самопроизвольно открыться от электромагнитной помехи.
10. Управляющий ток отпирания – это ток, который необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».
11. Управляющее напряжение отпирания – это напряжение, которое необходимо подать, чтобы тиристор открылся без «колена».

2.4 Принцип работы управляемого выпрямителя на тиристорах.


Управляемые выпрямители преобразуют переменное (двухполярное) напряжение в постоянное (однополярное) и, кроме того, позволяют плавно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения. Принцип регулирования напряжения рассмотрен на примере управляемого однополупериодного выпрямителя (рис. ). Пусть напряжение на входе схемы изменяется по закону . В интервал , пока не подан управляющий сигнал на УЭ, тиристор закрыт, ток в нагрузочном резисторе RH отсутствует и напряжение uH(t0)=0. В момент времени t1, определяемый углом управления α, от блока управления поступает импульс тока управления; тиристор включается, и появляется ток в резисторе RH; кривая напряжения uH(t) в интервале ωt1-π повторяет кривую напряжения источника питания. При переходе напряжения питания через 0 (ωt=π) тиристор выключается. В интервале π-2π к нему приложено обратное напряжение и он остается закрытым. В момент времени 2π+α, вновь подается управляющий импульс, тиристор включается. Далее процессы повторяются.
Изменяя значения угла α от 0 до максимального его значения, можно регулировать среднее значение выпрямленного напряжения от максимального, равного Um/π, до нуля. Среднее значение выпрямленного напряжения за период

Зависимость выпрямленного напряжения от угла α называют регулировочной характеристикой выпрямителя.

Рис. 4. временные диаграммы напряжений однополупериодного выпрямителя.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.

3.1 ИССЛЕДОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ.

Приборы и материалы: латер, вольтметр, миллиамперметр, конденсатор, диод, резисторы, тиристор.

Ход работы.

! Прежде чем приступить к экспериментальной части, студенты обязаны знать последовательность выполнения всех этапов работы. Разрешение на проведение экспериментов необходимо получить у преподавателя. Входное напряжение брать в промежутке 50-70 В.

Исследование управляемого выпрямителя

1. Исследовать влияние угла включения тиристоров α на форму напряжения на нагрузке UН(t) и зарисовать осциллограмму UН(t) при фиксированных значениях α . Для этого необходимо:

а) подключить лабораторный стенд и собрать схему управляемого выпрямителя;

б) подсоединить осциллограф к резистору RH;

в) установить резистором R2 различные значения α (три - четыре значения по указанию преподавателя) и для каждого значения зарисовать осциллограмму UH(t) в одном масштабе времени, расположив все осциллограммы, одна под другой.

Значение α отсчитывать по калибровочной сетке на экране осциллографа, использовав в качестве базы длительность полупериода выпрямляемого напряжения частотой 50 Гц.

Построить регулировочную характеристику UН = f (α). Для этого необходимо изменяя значения α (от 0 до его максимального значения) с помощью R2 измерить соответствующие значения напряжения на нагрузке UН. Данные занести в таблицу №1. По данным измерений построить регулировочную характеристику. Измерить напряжение на входе, рассчитать теоретическое напряжение по формуле :
UH= ;

Построить опытную и расчетную расчетную регулировочные характеристики.


Таблица №1.
α, эл. град α 1 α 2 α 3 α 4
UH, опыт , B
UH, расчет , В

При постоянном α=const, снять нагрузочную характеристику UH=f(IH). Результаты занести в таблицу №2.

Таблица №2.
α =const=…
UH, B
IH, B

Методические указания.

При измерении или установке угла управления необходимо пользоваться координатной сеткой на экране осциллографа следующим образом. Выбрать переключателем «время развёртки» такой масштаб, чтобы на экране было видно 1 – 1,5 периода период составляет 360 эл. град., определить, сколько градусов приходится на одну десятую часть клетки. Например, если период сигнала составляет 4 деления., то цена одной десятой деления будет равна 9 эл. град., и угол управления удобно менять по сетке с шагом 9, 18 и т. д. эл. град.


Контрольные вопросы.
1. Каковы основные свойства и параметры тиристора, способы его управления?
2. Что такое угол включения тиристора α и каким образом он измеряется в работе?
3. Объясните ВАХ тиристора.
4. Объясните, почему в цепи переменного тока нагрузка, включенная через тиристор, после отсоединения от УЭ тиристора системы управления оказывается отключенной от источника питания, а в цепи постоянного тока нет.
5. Что называют управляемым выпрямителем?


Литература

1. В.Г. Герасимов, О.М. Князьков, А.Е. Краснопольский, В.В. Сухоруков. Под редакцией В.Г. Герасимова "Основы промышленной электроники" Москва, "Высшая школа", 1986г. -336с.
2. Справочник по преобразовательной технике / Под ред. И. М. Чиженко. – Киев: Техника, 1978
3. Тиристоры: справ. / Под ред. В. А. Лабунцова, С. Г. Обухова, А. Ф. Свиридова: Энергия, 1971