Temat ćwiczenia: Przekaźniki półprzewodnikowe

Ćwicz. 4
Elementy wykonawcze
EWA/PP
Temat ćwiczenia: Przekaźniki półprzewodnikowe
1. Wprowadzenie
Istnieje kilka rodzajów przekaźników półprzewodnikowych. Zazwyczaj są one sterowane
optoelektrycznie z pełną izolacja galwaniczną napięcia sterującego od przełączanego. Można
wyróżnić dwa zasadnicze typy przekaźników półprzewodnikowych, w których klucze
zbudowane są na tyrystorach (triakach) lub na polowych tranzystorach mocy. W pierwszym
przypadku, przekaźniki służą do przełączania przebiegów przemiennych. Wynika to z zasady
działania układu tyrystorowego. Mianowicie, włącza się je impulsem sterującym, natomiast
wyłączyć je można chwilowym zanikiem napięcia przełączanego (np. przejściem przez zero
napięcia sieciowego) przy jednoczesnym braku impulsu sterującego. Natomiast, drugi rodzaj
przekaźników może służyć do załączania i wyłączania zarówno napięć zmiennych jak i
stałych, gdyż ich stany włączenia i wyłączenia zależą wyłącznie od sygnału sterującego.
Często, w przekaźnikach tyrystorowych wbudowane są układy które wykrywają przejścia
przez zero napięcia przełączanego i uzależniają od tego również moment ich zadziałania. Tym
samym umożliwiają one włączanie przekaźnika przy najbliższym, w stosunku do momentu
podania sygnału sterującego, przejściu przez zero sygnału przełączanego.
Takie rozwiązanie przyczynia się do znacznego zmniejszenia zakłóceń powodowanych
włączaniem się przekaźnika, w tym przypadku zawsze przy niskim napięciu (przejściu przez
zero), a nie, np. pod wysokim napięciem sieci (sygnału przełączanego).
W ćwiczeniu dokonuje się badań zjawisk elektrycznych pracujących przekaźników
tyrystorowych i przekaźników tranzystorowych oraz określa się (mierzy się) ich parametry.
Badania przeprowadza się w układzie jak na rys.1 (rys.2 pokazuje szczegółowe
rozmieszczenie elementów i gniazd do podłączenia generatora oscyloskopu i napięcia 24V).
Gen
Generator
impulsowy
Płytka pomiarowa
24V~
Transformator
230V/24V
Sieć
230V
Obciążenie
Oscyloskop
Rys.1 Schemat blokowy zestawu pomiarowego.
Sygnał sterujący podawany jest z generatora impulsowego. Natomiast napięcie przełączane
podawane jest z transformatora separującego 230/24V (transformator zapewnia pełną izolację
napięcia sieci 230V – zastosowany jest z uwagi na wymóg bezpieczeństwa). W praktyce
przełączane jest najczęściej napięcie sieci o wartości skutecznej 230V.
Na rys.2 zamieszczony jest schemat ideowy płytki pomiarowej stosowanej w ćwiczeniu.
EWA_4.doc
1
27/02/2015
Ćwicz. 4
Elementy wykonawcze
EWA/PP
zwora
Gen
przekaźnik tranzystorowy
24V~
oscyloskop
obciążenie
przełącznik
przekaźników
przekaźnik tyrystorowy
masa generatora
masa oscyloskopu
Rys.2 Schemat ideowy płytki pomiarowej
Przekaźniki półprzewodnikowe można scharakteryzować następującymi parametrami
dynamicznymi:
-
próg detekcji przejścia przez zero U,
opóźnienie włączania - t1 i wyłączania - t2 (w układach sterowanych przejściem przez zero
zależna od momentu jego detekcji),
szybkość procesu włączania i wyłączania (czas t1 i t2) .
Parametry zobrazowane zostały na rys.2
Sygnał bramki
t1
t2
t1
t2
U1
t
Rys. 2 Parametry dynamiczne przekaźników
Dla prawidłowego pomiaru w/w parametrów należy synchronizować (wyzwalanie podstawy
czasu) oscyloskop odpowiednim zboczem impulsu sterującego.
Opóźnienie włączania i wyłączania można poprawnie zmierzyć dla przekaźników
tranzystorowych oraz włączania dla przekaźników tyrystorowych bez wbudowanego układu
detekcji przejścia przez zero. Natomiast, czas włączania dla przekaźników tyrystorowych z
detekcją przejścia przez zero oraz wyłączania - dla wszystkich przekaźników tyrystorowych
EWA_4.doc
2
27/02/2015
Ćwicz. 4
Elementy wykonawcze
EWA/PP
jest w ćwiczeniu nie mierzony. Wynika to z faktu, iż zależy on od przypadkowego
skorelowania faz generatora i sieci. Natomiast, tu mierzy się poziom sygnału przy którym
następuje wyłączenie (włączenie) napięcia 24V. W ćwiczeniu poziom ten nazywany jest
progiem detekcji - U rys.3.
U
Rys 3 Obraz na oscyloskopie do pomiaru progu detekcji zera – przekaźnik tyrystorowy z detekcją
przejścia przez zero.
Na rys.3 pokazany jest prostokątny impuls sterujący służący do synchronizacji podstawy
czasu oscyloskopu oraz wycinek sygnału kluczowanego przez tyrystor. Badany tyrystor ma
wbudowany detektor przejścia przez zero toteż opóźnienie pomiędzy momentem włączenia
sygnału sterującego a zadziałaniem przekaźnika wynika z przypadkowego zsynchronizowania
się częstotliwości sieci (50Hz) a częstotliwością powtarzania impulsów sterujących. W tym
przypadku na obrazie oscyloskopu moment zadziałania tyrystora przesuwa się w czasie w
niekontrolowany sposób. Z tego powodu dla tych przekaźników nie mierzy się opóźnienia
czasu ich zadziałania. O istnieniu układu detekcji w przekaźniku świadczy również fakt, iż
napięcie w momencie zadziałania przekaźnika nie przekracza pewnego progu U–rys.3.
Na rys.4 pokazany jest podobny przebieg przełączany przez przekaźnik tyrystorowy bez
układu detekcji oraz przekaźnik tranzystorowy. Widać tu, iż w tym przypadku napięcie tuż po
przełączeniu zleży wyłącznie od momentu w jaki nastąpiło zadziałanie przekaźnika w
stosunku do sygnału przełączanego.
Po rozciągnięciu podstawy czasu i przy synchronizacji impulsem sterującym zboczem
narastającym lub opadającym można uzyskać obraz prezentujący czas zadziałania lub czas
wyłączania przekaźnika. Na rys.5. pokazany jest obraz na oscyloskopie synchronizowanym
zboczem opadającym sygnału sterującego – przy mocno rozciągniętej podstawie czasu.
EWA_4.doc
3
27/02/2015
Ćwicz. 4
Elementy wykonawcze
EWA/PP
Rys.4 Przebieg po przełączeniu przekaźnikiem tranzystorowym
Rys.5 Przebieg obserwowany przy końcu działania przekaźnika
Jest to przykład poprawnego obrazu umożliwiającego prawidłowy pomiar czasu wyłączania
(opóźnienia wyłączania) przekaźnika. Obraz ten może być wykorzystany również do pomiaru
stromości wyłączania (szybkości wyłączania) szczególnie po rozciągnięciu podstawy czasu
oscyloskopu przyciskiem x10.
2. Zestaw aparatury
- zestaw laboratoryjny do badania przekaźników,
- zestaw pomiarowy Velleman (generator i oscyloskop) PC-lab 2000se,
- transformator 230/24V,
- komputer PC.
EWA_4.doc
4
27/02/2015
Ćwicz. 4
Elementy wykonawcze
EWA/PP
3. Zadania
3.1
Zestawić i uruchomić układ jak na rys.1 i 2 – obciążenie 470. Uruchomić w komputerze
program oscyloskopu i generatora PC-lab 2000se. W tym celu należy: na pulpicie
komputera wybrać ikonę PC-lab 2000se, Sprawdzić ustawienie (skorygować) USB Device
(PCS U 1000 i PCG U 1000) , LPT Device (None). Uruchomić generator i ustawić
amplitudę prostokątnego sygnału przełączającego na poziomie 5V z offsetem 2.5V a jego
częstotliwość 2Hz – współczynnik wypełnienia 50%. Ustawić synchronizację
przebiegiem z generatora impulsowego.
3.2
Ustawić właściwe nastawy oscyloskopu (wejścia DC, synchronizacja zboczem impulsu
bramki) tak by uzyskać przebieg umożliwiający poprawny pomiar opóźnienia włączania i
wyłączania dla przekaźnika tranzystorowego
oraz włączania dla przekaźnika
tyrystorowego bez układu detekcji przejścia przez zero S202S11. Przełącznikiem na płytce
pomiarowej wybieramy: w górnej pozycji- przekaźnik tranzystorowy, w dolnej tyrystorowy
3.3
Zanotować wyniki pomiaru oraz zarejestrować uzyskany przebieg w komputerze. Początek
procesu włączania przekaźnika można obserwować przy wyzwalaniu zboczem
narastającym. Markery czasu i amplitudy można włączyć w oknie view.
3.4
Ustawić wzmocnienie i podstawę czasu oscyloskopu tak by można było poprawnie
odczytać poziom progu detekcji przejścia przez zero wyłączania (przekaźnik S202S11).
Odczytać w/w próg i zarejestrować obraz z (ustawionymi poprawnie markerami) w
pamięci komputera.
3.5
Podłączyć w miejsce przekaźnika P2 (S202S11) przekaźnik tyrystorowy z układem
detekcji przejścia przez zero S202S12 i dokonać analogicznych pomiarów i rejestracji jak
w p. 3.3 zarówno dla jego włączania jak i wyłączania.
4. Opracowanie wyników.
4.1 Zamieścić tabele pomiarowe – zestawić parametry poszczególnych przekaźników
4.2 Zamieścić uwagi i wnioski.
LITERATURA
Dane katalogowe poszczególnych przekaźników
http://sharp-world.com/index.html
http://www.irf.com/index.html
EWA_4.doc
5
27/02/2015