Tyristory
Úvod
Tyristor je čtyřvrstvý polovodičový spínací prvek. Struktura tří PN přechodů zapojených v sérii způsobuje, že tyristor je v neprůchozím stavu ať je anodové napětí kladné nebo záporné, pokud nepřesáhne určitou hodnotu.
Pro přechod tyristoru do sepnutého stavu, je potřebné odstranit blokovací schopnost řídícího přechodu. To je možné uskutečnit třemi způsoby, z nichž se ale v praxi využívá pouze jeden:
1. Zvýšením anodového napětí Ua nad průraznou hodnotu Ubo To vyvolá lavinové násobení počtu minoritních nosičů na obou stranách přechodu. Tento způsob spínaní se nedoporučuje.
2. Injekci majoritních nosičů řídící elektrody do řídící vrstvy. Tento způsob spínaní je pro tyristor typický.
3. Kapacitním proudem při rychlých změnách anodového napětí tyristoru. Ve většině aplikací je tento způsob spínaní nežádoucí.
IGi<Ig2<Ig3
Figuře 1: VA charakteristika tyristoru
1
Pokud je tyristor v sepnutém stavu, zůstává v sepnutém stavu i když je proud řídící elektrodou nulový. Při vypínání tyristoru je tedy nutné obnovit blokovací schopnost řídícího přechodu odstraněním volných nosičů náboje z oblasti řídící a blokovací vrstvy. Toho lze dá dosáhnout vypnutím anodového proudu (i na velmi krátkou dobu), nebo jeho snížením pod hodnotu tzv. přídržného proudu Ih.
Charakteristiky tyristor jsou na obrázku (obr 1). Ve vypnutém stavu je závěrná i propustná část charakteristiky podobná závěrné části charakteristiky běžné diody. Závěrná větev charakteristiky určuje závěrné napětí Ubr, o něco menší je typové závěrné napětí Ur. Při tomto napětí protéká tyristorem závěrný klidový proud Ir. Obdobně v propustné části charakteristiky je důležité spínací napětí Uso a přední klidový proud Ifd pro napětí \Jfd, pro které platí Ufd < Uso-
Při porovnání průběhu blokovacích charakteristik na obrázku 1 je patrné, že napětí Ua potřebné pro sepnutí tyristoru, klesá s rostoucím proudem řídící elektrodou Iq.
V této úloze změříme vlastnosti daného tyristoru a vyzkoušíme si jeho funkci jako regulátoru výkonu.
1. Změřte spínací napětí a spínací proud tyristoru
2. Změřte blokovací charakteristiku tyristoru
3. Změřte propustnou charakteristiku tyristoru
4. Změřte závěrnou charakteristiku tyristoru pro proudy větší, ne je spínací proud tyristoru
5. Změřte propustnou charakteristiku tyristoru
6. Ověřte funkci tyristoru jako regulátoru výkonu a spočítejte úhel otevření
Pro tuto úlohu jsou v praktiku připraveny dvě pracovní desky. Na obrázku 2 je popis desky, kterou budete používat pro měření prvních pěti úkolů. Jednotlivé úkoly vyžadují různé zapojení, proto je nutné před začátkem měření provést potřené úpravy v zapojení. Dbejte především na správnou volbu ochranného odporu Ri a na správnou polaritu napájecího zdroje. Před začátkem měření také zkontrolujte, zda jsou spínače Si a S2 ve správné poloze. Si musí být vždy na začátku měření sepnutý. S2 přepíná mezi střídavým a stejnosměrným napájecím zdrojem řídící elektrody. Pro úkoly 1-4 se používá pouze stejnosměrný napájecí zdroj. Pro 5. úkol se používá střídavý napájecí zdroj.
Napájecí zdroj stejnosměrného napětí, který je v této úloze používán, má dva nezávislé výstupy s rozsahem 0- 32 V. Jejich sériovým zapojením získáte výsledné napětí, které bude součtem dílčích napětí obou zdrojů. Řídící elektroda tyristoru má vlastní napájecí zdroje. Stejnosměrný zdroj je napájen 9 V baterií, ke které se připojí spínačem v zadní části desky. Střídavý zdroj je napájen přímo ze sítě.
2
Spínač pro volbu stejnosměrného nebo střídavého napájecího zdroje řídicí elektrody
Napájejení střídavého zdroje řídící elektrody
0
Napájejení stejnosměrného zdroje řídící elektrody
Spínač pro volbu polarity napětí přiváděného na anodu tyristoru = kladné napětí na anodě x záporné napětí na anodě
Zdoj stejnosměrného proudu pro napájeni řídící elektrody
Zdoj střídavého proudu pro napájení řídicí elektrody
Figure 2: Pracovní deska pro úkoly 1-5
1   Měření spínacího proudu a napětí tyristoru
Spínací proud a spínací napětí můžeme měřit v jednoduchém zapojení zobrazeném na obrázku 3a. Na anodu tyristoru přivedeme přes ochranný odpor Rp1 konstantní stejnosměrné napětí \JZ o velikosti 20 V.
Pro sepnutí tyristoru zvyšujeme pomocí potenciometru Pi proud řídící elektrodou Iq, dokud nedojde k sepnutí tyristoru. To je indikováno poklesem napětí na tyristoru Ua (voltmetr Vi) a zvýšením proudu tyristorem Ia (ampérmetr Ai2). Hodnoty spínacího proudu Iqt a napětí Ugt odečteme těsně před sepnutím tyristoru. Je důležité, aby hodnota Iqt byla určena přesně, protože s ní budeme pracovat i v následujících úlohách.
U z = 20 V
Ri = 680 n
1 Odpor Rp chrání tyristor a ampérmetr Ai před zničením. Napětí stejnosměrného zdroje V z a odpor Rp musí být zvoleny tak, aby proud i = V z / R byl vždy menší než přípustný proud tyristorem, případně nesmí být větší než maximální proud, který je schopen dodávat použitý zdroj stejnosměrného napětí. V našem případě je odpor R realizován odporem Ro o hodnotě 220í2, ke kterému je sériově připojen odpor proměnlivý Ri. Hodnota odporu R je tedy Rp=Ro+Ri.
2Pozor, rozsah ampérmetru Ai při všech měření v této úloze musí být větší než proud ia=Uz/Rp.
3
K R,
(c) (d) (e)
Figuře 3: Schéma zapojení (a), polohy spínačů a použití odporů v úkolu 1 (b), úkolu 2 (c), úkolu 3 (d), úkolu 4 (e)
2   Měření blokovací charakteristiky
Pro toto měření rovněž použijeme zapojení z obr. 3a. Proud řídící elektrodou Ig nastavíme tak, aby byl 0,01 mA menší než spínací proud Iqt naměřený v prvním úkolu.
Odpor Ri bude 39 kil. Plynule budeme zvyšovat velikost stejnosměrného napětí přiváděného na anodu tyristoru dokud nedojde k jeho sepnutí. Zaznamenáme závislost Ia na Ua. Proud řídící elektrodou budeme dále zmenšovat s krokem 0,01 mA, dokud nedojdeme k proudu Ig, při kterém zůstane tyris-tor v celém měřeném rozsahu napětí U z v nesepnutém stavu. Jednou sepnutý tyristor zůstává v sepnutý i při nulovém Iq. Proto je v této úloze nutné po každém měření obnovit blokovací schopnost řídícího přechodu tyristoru. Toho dosáhnete krátkým vypnutím spínače Si.
• \JZ = 0 - 100 V
• Ri = 39 kil
• Ig — Igt - 0,01 mA
4
3   Měření propustné charakteristiky tyristoru
Propustné charakteristiky tyristoru měříme v zapojení podle obr. 3a. Proud řídící elektrodou musí být větší než spínací proud pro celý rozsah měření. Ochranný odpor Ri v této úloze realizujeme reostatem o odporu 300 fž.
Plynule zvyšujeme napětí \Jz a měříme závislost Ia na Ua pro proudy tyri-storem menší než 50 mA.
• la < 50 mA
• Ri = 300 íl (reostat)
4   Měření závěrné charakteristiky tyristoru
Rovněž tato charakteristika je měřena v zapojení podle obr. 3, ale tyristor je tomto případě zapojen v závěrném směru. Na anodu tyristoru je přivedeme záporné napětí přepnutím spínače z polohy = do polohy X. Vzhledem ke změně polarity je nutné přepólovat voltmetr Vi. Proud řídící elektrodou zvolíme vyšší než byla hodnota Iqt v prvním úkolu.
Plynule zvyšujeme napětí \Jz až do hodnoty 100 V a zaznamenáme závislost Ia na Ua pro dva různé proudy řídící elektrodou.
• \JZ = 0 - 100 V
• Ri = 39 kil
5   Měření přídržného proudu
Zapojení obvodu pro měření přídržného proudu tyristoru je na obrázku 4a. Aby bylo možné změřit přídržný proud, je nutné přerušovat proud řídící elektrodou. To je v této úloze realizováno přivedením střídavého proudu ze sítě přes transformátor. Díky usměrňovači diodě teče proud řídící elektrodou pouze v kladné půlperiodě napětí Ujj.
(a) Schéma zapojení pro měření 5. úkolu
Figuře 4: Schémata zapojení
(b) Polohy spínačů a odpor v úkole 5
5
Jako odpor Ri je v této úloze použijeme reostat o odporu 10 kil, který před začátkem měření nastavíme na maximální hodnotu. Proud řídící elektrodou nastavíme potenciometrem P2 tak, aby jeho střední hodnota byla větší než proud Igt- Poté na anodu tyristoru přivedeme kladné stejnosměrné napětí \Jz o velikosti 20 V.
Pomalu zmenšujeme odporu reostatu (Ri), dokud nedojde k sepnutí tyristoru. Poté dalším snižováním odporu Ri nastavíme proud tyristorem na hodnotu okolo 10 mA. Potom zmenšujeme reostatem proud tyristorem (odpor Ri zvyšujeme) až do okamžiku, kdy se tyristor vypne. Velikost proudu tyristorem Ia těsně před vypnutím je hodnota přídržného proudu tyristoru Ijj- Hodnotu přídržného proudu změříme pro tři různé proudy řídící elektrodou.
• V z = 20 V
• Ri = 10 kil (reostat)
• la < 20 mA
• Ig > Igt
6   Regulace výkonu tyristorem
Spínací prvky jako tyristory a triaky mají rozsáhlé praktické použití zejména jako regulátory výkonu. Své uplatnění mají také jako proudové a napěťové pojistky. Tyristorem je možné regulovat výkonu spotřebičů napájených usměrněným proudem. Jak je zobrazeno na obrázku 5, při regulaci výkonu protéká usměrněný nevyhlazený proud spotřebičem jen určitou část půlperiody.
U	1				
		r—^\			
	/ y				
					
					
	' t0'	doba otevření		V	
Figure 5: Vizualizace doby otevření
Tyristor se spíná na začátku kladné půlperiody a to vždy až po uplynutí doby to- Hodnotu to je v námi používaném obvodu možné měnit proměnným odporem R5, který je realizován odporovou kaskádou. Činnost tohoto obvodu je následující. V každé kladné půlperiodě napájecího napětí se kondenzátor C nabíjí tak dlouho, dokud na něm není větší napětí než na odporu R4. Jakmile je tato podmínka splněna, začne obvodem emitor - báze tranzistoru Ti
6
procházet proud, tranzistor Ti se otevírá a spolu s ním se otevírá i tranzistor T2. Díky tomu může dojít k vybití kondenzátoru C přes řídící elektrodu tyris-toru, což způsobí sepnutí tyristoru. Velikost odporu R5 určuje nabíjecí časovou konstantu kondenzátoru C a tím i okamžik sepnutí v kladné půlperiodě. (Řídící obvod je v podstatě generátor napětí pilovitého průběhu jako v úloze o klopných obvodech.)
R2 D, R,
osciloskop
Figuře 6: Schéma zapojení pro měření 6. úkolu
Obvod budeme napájet střídavým proudem o velikosti 6 V a velikost doby otevření a času to změříme pomocí osciloskopu. Odporovou dekádou budeme měnit hodnotu odporu R5. Změříme závislost úhlu otevření tyristoru na hodnotě odporu R5.
• UZ = 6V
• R5 (odporová dekáda)
Seznam zkratek
• A - anoda tyristoru
• K - katoda tyristoru
• G - řídící elektroda tyrostoru, hradlo, gate
• Uso _ spínací napětí, při které dojde k sepnutí tyristoru i při nulovém proudu řídící elektrodou
• Ifd - přední klidový proud protékající tyristorem při napětí \Jfd
• \Jfd - typové provozní napětí tyristoru připojeného v propustném směru (tyristor není sepnutý)
7
• Ijj - přídržný proud je nejmenší proud který musí téct tyristorem, aby tyristor zůstal v sepnutém stavu i při nulovém proudu řídící elektrodou
• Ir - závěrný klidový proud protékající tyristorem při napětí Ujj
• Uj{ - typové provozní napětí tyristoru připojeného v závěrném směru (tyristor není sepnutý)
• Usr - napětí, při kterém dochází k průrazu tyristoru v připojeného v závěrném směru
• Ig - proud řídící elektrodou
• U<3 - napětí mezi řídící elektrodou a katodou tyristoru
• Igt - spínací proud řídící elektrodou
• Ugt - spínací napětí řídící elektrody
• Ua - napětí mezi katodou a anodou tyristoru
• Ia - proud protékající tyristorem
• \Jz - napájecí napětí tyristoru
8