Pobierz - Kontakt - Katedra Chemii Fizycznej

Katedra Chemii Fizycznej
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych z przedmiotu:
Elektrotechnika i Elektronika
Ćwiczenie 4
Tyrystorowy regulator mocy
1
1. WPROWADZENIE
Określenie „tyrystor” oznacza przyrząd półprzewodnikowy, w którym występują dwa
stany: stan przewodzenia i stan nieprzewodzenia. Istnieje wiele różnych rodzajów tyrystorów:
dwu-, trój- i czteroelektrodowe, jedno- lub dwukierunkowe.. Znajdują one liczne
zastosowania w każdej niemal dziedzinie elektroniki i energetyki. W wielu przypadkach
tyrystory z powodzeniem zastępują przekaźniki i styczniki.
Celem doświadczenia jest zapoznanie się z własnościami triodowego tyrystora
jednokierunkowego w zastosowaniu do różnych układów regulacji mocy w obwodach prądu
przemiennego.
2. TRIODOWY TYRYSTOR JEDNOKIERUNKOWY
2.1. Charakterystyka ogólna
Jednokierunkowy tyrystor triasowy jest przyrządem półprzewodnikowym zbudowanym z
czterech warstw półprzewodnikowych ułożonych na przemian typu p i typu n tak jak to
pokazano na Rysunku 1a. Taki tyrystor posiada trzy elektrody: anodę A, katodę K oraz
bramkę G. Może przewodzić prąd elektryczny tylko w jednym kierunku, tzn. gdy do anody
dołączymy dodatni biegun źródła napięcia, a do katody ujemny biegun.
Rys. 1. Budowa, oznaczenia i typowa konstrukcja tyrystora: a) budowa tyrystora, b) symbol,
c) konstrukcja
Tyrystory mogą znacznie się różnić dopuszczalnym prądem przewodzenia. Bywają
tyrystory dużej mocy o prądach dopuszczalnych rzędu kilkuset amperów. Typową
2
konstrukcję tyrystorów średniej mocy pokazana na Rys. 1c. Konstrukcja tyrystorów małej
mocy zbliżona jest do konstrukcji tranzystora. Podstawowe parametry tyrystora to:
dopuszczalny prąd i dopuszczalne napięcie i są oznaczane w nazwie tyrystora np. BTP 3/400
oznacza tyrystor o dopuszczalnym prądzie 3 A i napięciu 400V.
Na Rysunku 2 przedstawiono podstawową charakterystykę tyrystora, tzn. zależność prądu
płynącego przez tyrystor od napięcia między anodą i katodą.
Rys. 2. Charakterystyka napięciowo-prądowa tyrystora.
W obrębie pierwszej ćwiartki mówimy o kierunku blokowania. W tym obszarze występują
dwa wyraźnie zróżnicowane stany: stan przewodzenia i stan blokowania (zatkania). W
obrębie trzeciej ćwiartki wykresu charakterystyka tyrystora jest taka sama jak charakterystyka
diody, a obszar ten nazywany jest obszarem wstecznym. Na podstawie analizy
charakterystyki tyrystora w obszarze blokowania możemy określić wszystkie jego
podstawowe cechy eksploatacyjne.
Początkowy wzrost napięcia pomiędzy anodą i katodą tyrystora nie powoduje praktycznie
wzrostu natężenia prądu płynącego przez tyrystor. Przy określonej wartości napięcia (zależnej
od prądu bramki) następuje gwałtowny przeskok do stanu przewodzenia. W tym stanie nawet
duże zmiany prądu tyrystora nie wymagają wzrostu napięcia anoda-katoda. Wynosi ono
zwykle ok. 1 V.
3
Należy unikać „napięciowego” załączania tyrystora przy małych prądach bramki gdyż
może to doprowadzić do uszkodzenia tyrystora. typowy sposób sterowania tyrystorem polega
na doprowadzeniu w określonym momencie do bramki impulsu prądowego załączającego
tyrystor. Napięcie anoda-katoda przed przełączeniem jest równe napięciu zasilania. Impuls
doprowadzony do bramki musi mieć wartość, co najmniej równą wartości IG odpowiadającą
napięciu przełączania równemu napięciu zasilającemu. Od tego momentu tyrystor pozostaje
załączony tak długo aż wartość prądu płynącego przez tyrystor nie spadnie poniżej prądu
podtrzymania.
2.2. Regulatory tyrystorowe ze sterowaniem fazowym.
Fakt, że tyrystor pozostaje w stanie przewodzenia aż do spadku natężenia prądu poniżej
prądu podtrzymania stwarza bardzo dogodną możliwość zastosowania tyrystorów w układach
zasilanych prądem przemiennym. W układach takich tyrystor przewodzi aż do chwili
przejścia napięcia przez zero, co pokazano na Rysunku 3.
Rys. 3. Podstawowe metody sterowania fazowego z użyciem tyrystorów: a) układ z jednym
tyrystorem, b) tyrystor i dioda, c) dwa tyrystory, d) tyrystor i mostek graetza, e) tyrystor
dwukierunkowy.
4
Układ przedstawiony na Rys. 3a stwarza możliwość regulacji mocy w granicach 0±50%,
układ pokazany na Rys.3b w granicach 50±150%. Istotną cechą jest tutaj układ sterowania,
wyzwalający impulsy sterujące bramką tyrystora z pewnym regulowanym opóźnieniem
impulsu w stosunku do chwili przejścia napięcia sieci przez zero. W obydwu układach
występuje składowa stała. W celu wyeliminowania składowej stałej stosuje się dwa tyrystory
jak w układzie na Rys. 3c. pozwalającym na regulację mocy w zakresie 50±100%. Jeżeli
obecność składowej stałej nie jest szkodliwa (np. w przypadku regulacji mocy żarówek,
grzałek itp.) można stosować prosty układ przedstawiony na Rys. 3d. Warto również
wspomnieć o innym rodzaju tyrystora tj. o triasowym tyrystorze dwukierunkowym (TRIAC)
przedstawionym na Rys. 3e. Jest to tyrystor bardzo wygodny i ekonomiczny w układach
regulacji. Cechą charakterystyczną jest możliwość znajdowania się w stanie blokowania lub
przewodzenia w obu półokresach napięcia sieci.
Inną istotną niedogodnością wszystkich układów przedstawionych na Rysunku 3 jest fakt
bardzo dużej szybkości narastania prądu w chwili załączenia tyrystora co powoduje, że takie
fazowe regulatory mocy stanowią poważne źródło zakłóceń i wymagają stosowania
dodatkowych filtrów chroniących przed tymi zakłóceniami.
2.3. Wyzwalanie tyrystora napięciem zmiennym.
Jeżeli układ wyzwalania tyrystora zasilany jest bezpośrednio z sieci napięcia zmiennego,
mówimy o wyzwalaniu napięciem zmiennym. Oprócz tego można tyrystor wyzwalać przy
pomocy układu zasilanego napięciem stałym. Układ przedstawiony na Rysunku 4 a ilustruje
najprostszy sposób wyzwalania napięciem zmiennym z możliwością regulacji kąta włączania
od 0º do 90º, co umożliwia regulację mocy w zakresie 50±100% wartości maksymalnej (przy
prostowaniu jedno-połówkowym jak narys. 3d).
5
Rys. 4. Układ wyzwalania napięciem zmiennym: a) schemat układu, b) przebiegi czasowe
Działanie tego układu jest następujące: prąd bramki jest pobierany z dzielnika napięcia
utworzonego z rezystorów Rp i R. Dioda D łączona szeregowa zapobiega pojawieniu się
napięcia wstecznego między katodą a bramką w okresie ujemnego napięcia w sieci. Jak widać
na Rys. 4b prąd bramki ma przebieg sinusoidalny, a jego amplituda ustalana jest przy pomocy
rezystora Rp. W chwili osiągnięcia przez prąd bramki wartości prądu załączenia IG następuje
załączenie tyrystora. Jeżeli amplituda prądu bramki jest mniejsza niż IG, tyrystor w ogóle nie
zostanie załączony.
Przez zastosowanie prostego obwodu RC i dwóc diod (Rys. 5) można uzyskać opóźnienie
kąta włączania w pełnym zakresie 0-180º. Działanie układu wyjaśniają przebiegi czasowe
przedstawione na Rys. 5b. Kondensator C w okresie ujemnego napięcia sieci, poprzez diodę
D2 ładuje się do ujemnej amplitudy napięcia sieci (punkt A), następnie rozładowuje się przez
nastawny rezystor RP. W chwilo osiągnięcia na kondensatorze C wartości dodatniej UGT
(punkt C) następuje załączenie tyrystora.
6
Rys. 5. Wyzwalanie tyrystor napięciem zmiennym z zastosowaniem elementów RC
umożliwiające regulację kąta włączania  w zakresie 0-180º: a) układ wyzwalania, b)
przebiegi czasowe
Zmieniając wartości rezystancji rezystora RP zmieniamy wartość natężenia prądu
płynącego przez ten rezystor, co decyduje o nachyleniu odcinaka AB, a tym samym o chwili
załączenia tyrystora.
3. WYKONANIE ĆWICZENIA.
3.1. Badanie charakterystyki tyrystora
Przy pomocy układu przedstawionego na Rysunku 6, zasilanego napięciem stałym
wyznaczamy prąd załączenia bramki tyrystora.
Rys. 6. Układ do wyznaczania prądu bramki załączającego tyrystor oraz prądu podtrzymania
tyrystora.
7
Przy pomocy potencjometru P1 ustawiamy prąd bramki równy zero (minimalna wartość
P1). Ustawiamy wartość początkową P2 na minimum. Następnie odczytując wskazania
woltomierza i miliamperomierza 1 powoli zwiększamy prąd bramki. Należy zapisać
największą wartość tego prądu - tuż przed załączeniem tyrystora. Załączenie tyrystora
rozpoznajemy po tym, że spada napięcie pomiędzy anodą i katodą wskazywane przez
woltomierz. Zanotować wartość napięcia anoda – katoda w stanie przewodzenia tyrystora.
W celu wyznaczania prądu podtrzymania tyrystora wprowadzamy go w stan
przewodzenia. Następnie najpierw zmniejszamy prąd bramki, a następnie powoli zwiększamy
wartość
oporności
potencjometru
P 2.
Obserwujemy
wartość
prądu
obciążenia
(miliamperomierz 2) oraz napięcie anoda-katoda. Zanotować minimalną wartość natężenie
prądu obciążenia tyrystora w stanie przewodzenia zaobserwowaną tuż przed zatkaniem
tyrystora, tzn. przed skokiem napięcia anoda-katoda.
Opisane wyżej czynności powtarzamy dla różnych napięć zasilania wskazanych przez
prowadzącego zajęcia.
3.2. Regulatory fazowe mocy.
Posługując się układami przedstawionymi na Rysunku 7 zestawiamy regulatory
odpowiadające układom pokazanym na rysunkach 3a, 3b i 3d. We wszystkich przypadkach
stosujemy napięcie zasilania przemienne o wartościach 24V/50Hz.
Rys. 7. Układy regulatorów fazowych mocy: a) zasilanie napięciem przemiennym, b)
zasilanie napięciem tętniącym z prostownika dwu-połówkowego.
8
W celu doprowadzenia napięcia przemiennego 24 V AC (Rys. 7a) przycisk Z musi
pozostawać wyciśnięty. Wciśnięcie przycisku Z powoduje doprowadzenie napięcia z
prostownika tak jak w układzie pokazanym na Rys. 7b. Układ z jednym tyrystorem (Rys. 3a i
7a) realizujemy przez wciśnięcie przycisku A. Dołączenie diody (Rys. 3b) realizujemy przez
wciśnięcie przycisku B.
Za pomocą oscyloskopu obserwujemy przebieg napięcia zasilającego oraz przebieg zmian
napięcia na rezystorze R1 zmieniając przy pomocy potencjometru P 3 opóźnienie impulsu
bramkowego tyrystora.
9