Лабораторная работа №1. Работа силовых полупроводниковых приборов в выпрямительных устройствах

Получить экспериментальное подтверждение теоретическим знаниям, изучить принципы фазового управления.

Основные теоретические положения

Реализация силовых преобразователей осуществляется на базе электронных силовых полупроводниковых приборов (СПП), которые получили в настоящее время широкое распространение. Главной важной особенностью этих приборов являются малые тепловые потери при управлении большими потоками энергии в процессе преобразования одного вида электрической энергии в другой вид. Это ценное качество полупроводниковых приборов обусловлено очень малым их активным сопротивлением во включенном состоянии, когда через них протекают большие рабочие токи, и очень большим активным сопротивлением в выключенном состоянии, когда рабочий ток прерывается.

Другим ценным качеством СПП, снижающим их тепловые потери, является высокая скорость переключения из одного состояния в другое. Это значит, что время среднего (переходного) состояния прибора, при котором происходит его интенсивный нагрев, очень мало (единицы микросекунд). Это объясняет достоинства СПП: малые габариты, быстродействие, чувствительность, надежность, экономичность.

СПП можно классифицировать по различным признакам: принципу действия, конструктивному исполнению, применению и т.д.

По принципу действия на практике используются следующие виды приборов (СПП):

1. Силовые неуправляемые вентили (силовые диоды);

2. Силовые транзисторы;

3. Силовые тиристоры.

Неуправляемый полупроводниковый вентиль (силовой диод) – VD – прибор с двумя выводами, связанными с областями различных типов электронной проводимости: электронной – n -типа и строчной – p -типа. На границе этих областей возникает электронно-дырочный переход, физические явления в котором позволяют изменять проводимость вентиля. Вывод со стороны p -области называют анодом, со стороны n -области – катодом. Вентиль представляет собой нелинейное несимметричное активное сопротивление, величина которого зависит от величины и знака (полярности) приложенного к прибору напряжения.

При одной полярности (прямой), когда к аноду подключен положительный полюс источника питания (+), а к катоду отрицательный (-), вентиль имеет малое сопротивление. При противоположной полярности питающего напряжения сопротивление вентиля большое. Такая полярность напряжения называется обратной.

Статическая вольтамперная характеристика (ВАХ) вентиля (рисунок 1.1) имеет прямую ветвь, расположенную в первом квадранте координат «U – I» и обратную – в третьем квадранте. Масштабы при графическом изображении вольтамперной характеристики принимают различные. Прямое напряжение (+ U) измеряется единицами или, даже, долями вольт, обратное напряжение (- U) – сотнями или тысячами вольт. С другой стороны, прямые токи вентиля () могут составлять сотни ампер, обратные () – десятки миллиампер. Величины сопротивлений на прямой ветви вольтамперной характеристики нельзя сопоставлять с величинами сопротивлений на обратной ветви.

Рисунок 1.1 – Статическая ВАХ вентиля

На прямой ветви вольтамперной характеристики можно выделить два участка: участок большого сопротивления (А), когда ток практически не протекает до тех пор, пока приложенное напряжение меньше, чем напряжение пятки ; и участок малого сопротивления (Б).

Обратная ветвь вольтамперной характеристики может быть разбита на три участка:

В – участок высокой проводимости (малого сопротивления);

Г – участок низкой проводимости;

Д – участок высокой проводимости вследствие электрического пробоя.

Пробой может быть лавинным, он возникает, когда на длине свободного пробега электрон приобретает энергию, достаточную для ионизации атомов. Лавинный пробой обратим, то есть после снятия обратного смещения переход не разрушается. В точке Е выделяется большая мощность и может произойти тепловой пробой. Он необратим.

Параметры силовых диодов (вентилей):

· Повторяющееся импульсное обратное напряжение () – максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду (достигает 5 кВ). в сотнях вольт определяет класс силового диода. Например, если диод выдерживает 5000 В, то он 50 класса.

· Предельный ток – максимально допустимое среднее за период значение тока, длительно протекающее через прибор. Классификационные значения предельного тока определяются в однофазной однополупериодной схеме с активной нагрузкой при частоте 50 Гц, синусоидальной форме тока, угле проводимости и максимально допустимой температуре структуры.

· Импульсное прямое напряжения – мгновенное значение напряжения на приборе при прохождении через него предельного тока.

· Динамическое (дифференциальное) сопротивление прибора в открытом состоянии – котангенс угла наклона прямой, проходящей через две точки прямой ветви ВАХ с ординатами, равными 1, 57 и 4, 71 предельного тока, и пересекающей ось напряжения в точке, числовое значение которой считается пороговым напряжением .

Динамическими параметрами диодов являются параметры, характеризующие переходные процессы при прямом и обратном смещении перехода. При приложении прямого напряжения происходит процесс накопления заряда. В начале прохождения прямого тока падение напряжения на переходе велико, потом оно уменьшается. Время установления прямого сопротивления – это время спада напряжения от максимального значения до 1, 2 установившегося значения. При приложении обратного напряжения к проводящему переходу вначале протекает большой обратный ток, который, по мере рассасывания накопленных ранее зарядов, уменьшается. Время обратного восстановления – это время от начала нарастания обратного тока до спада его до пятикратного установившегося значения.

Тиристор () имеет четырехслойную p – n – p – n- структуру с тремя выводами (рис. 2.9). Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: p – n – p и n – p – n, эквивалентных биполярным транзисторам и .

Тиристор, как и диод, может пропускать большой ток только в одном (проводящем) направлении. Однако он отличается от неуправляемого вентиля (диода) тем, что перевод его в открытое состояние может осуществляться только при выполнении двух условий: полярность приложенного к тиристору напряжения – прямая, и по цепи управляющий электрод У – катод К протекает управляющий ток (обычно в виде импульса) от отдельного источника управляющего напряжения.

Тиристор – это полууправляемый прибор, потому что перевод тиристора в закрытое состояние по цепи управления невозможен. Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо снизить анодный ток
() до величины, меньшей некоторого минимального значения, называемого током удержания. Чаще всего это достигается изменением полярности напряжения U_пит.

Тиристор может проводить ток в одном направлении, а в закрытом состоянии может выдерживать как прямое, так и обратное напряжение.

Рассмотрим более подробно реальные статические ВАХ обычного тиристора (рисунок 1.2). Обратная ветвь вольтамперной характеристики ничем не отличается от обратной ветви вольтамперной характеристики неуправляемого вентиля.

Прямую ветвь рассмотрим при различных значениях тока управления :

1. Ток управления . При этом изменение прямого напряжения в пределах от 0 до приведет к протеканию по анодной цепи небольшого тока утечки , соизмеримого по величине с обратным током i_обр. При увеличении +U_{в.пр .} до величины напряжения переключения () ток утечки резко возрастает и в точке В становится равным току включения. Тиристор переходит в открытое состояние. При этом величина его анодного тока () определяется параметрами внешней цепи. Поэтому необходимо всегда ограничивать прямой ток до допустимого значения с помощью величины нагрузки z_нагр.

Рисунок 1.2 – Статические ВАХ реального тиристора

2. Ток управления ¹ 0. Подача небольшого тока управления приводит к уменьшению U_{вкл .} При увеличении значения тока управления будет уменьшаться значение напряжения, при котором происходит открывание тиристора. При некотором значении , который называется током спрямления (), вольтамперная характеристика тиристора оказывается подобной вольтамперной характеристике неуправляемого вентиля: тиристор переходит в открытое состояние при малых значениях U_вкл. На практике перевод тиристора в открытое состояние производят подачей кратковременных импульсов , величина которых по уровню превышает ток спрямления.

Параметры силовых тиристоров:

· Ток запуска () – минимальный ток управляющего электрода, который переводит тиристор во включенное состояние при подаче прямой полярности напряжения на прибор. (1..100 мА)

· Ток включения () – минимальный прямой ток, необходимый для перехода прибора в открытое состояние (включение), при подаче управляющего импульса определенной амплитуды и длительности.

Ток включения определяется при увеличении анодного тока прибора. Обычно приближенно равен величине двух токов удержания. ()

· Ток утечки () – ток, протекающий через прибор при разомкнутой цепи управляющего вывода при приложении к нему напряжения в прямом направлении.

· Напряжение переключения () – прямое напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое при разомкнутой цепи управляющего вывода.

· Критическая скорость нарастания прямого напряжения – максимально допусти­мое значение скорости нарастания прямого напряжения, при которой не происходит переклю­чение прибора при заданном напряжении и разомкнутой цепи управ­ляющего вывода.

· Для снижения (действительной) параллельно прибору включается R-C цепь (шунтируется R-C цепью).

·

Порядок выполнения работы

1. Собрать схему для исследования работы силовых полупроводниковых приборов (общие указания).

1.1. Перед началом сбора схемы все блоки должны быть выключены (т.е. кнопки включения в сеть не должны светиться).

1.2. Собрать требуемую схему вентилей на основе схем соединения отдельных блоков. Номера необходимых блоков указаны на рисунках в левом нижнем углу каждого блока в схеме.

1.3. Обязательно следует соединить гнезда защитного заземления
" " устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» источника G 1 с помощью специальных проводов.

1.4. Для исследования величин токов и напряжений схемы необходимо включить в неё измерительную аппаратуру:

- амперметр включить последовательно с нагрузкой;

- вольтметр параллельно нагрузке (удобнее включить на выход преобразователя);

1.5. После того, как схема собрана, необходимо, чтобы преподаватель проверил её правильность.

2. Произвести сбор, настройку и включение блоков стенда:

2.1. Собрать схему согласно рисунку 1.3.

Рисунок 1.3 – Схема соединения преобразователя

2.1.Переключатели номинальных фазных напряжений вторичных полуобмоток трансформаторов А3 и А4 установите в положение «73 В».

2.2.Включите выключатели «СЕТЬ» блоков мультиметров Р1.1, Р1.2.

2.3.Включите выключатель «СЕТЬ» преобразователя А5.

2.4.Включите выключатель «СЕТЬ» датчиков тока и напряжений А6.

2.5.Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А5, установите по его индикатору минимальное значение угла управления a =0.

2.6. В соответствии с выбранной нажмите кнопку «1Ф ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ» на лицевой панели преобразователя А5 и удерживайте ее до тех пор, пока не загорится расположенный рядом с ней светодиод.

2.7.Включите источник G1. О наличии фазных напряжений на его выходе должны сигнализировать светящиеся лампочки.

2.8.При необходимости можно выключить стенд следуя порядком, обратном порядку включения и изменить участки, на которых необходимо проанализировать параметры токов/напряжений.

3. Определение характеристик схемы.

3.1. Включить собранную схему в порядке, указанном в предыдущей части.

3.2. Изменяя сопротивление реостата А10, снимите показания вольтметра P1.1 и амперметра P1.2 и занесите в таблицу 1.1 (по итогам работы измерения должны быть выполнены для различных сопротивлений нагрузки).

Таблица 1.1 – Сводная таблица снимаемых параметров

3.3.Вращая регулировочную рукоятку преобразователя А5, установите по его индикатору значение угла управления a=0, 60, 180 для одинакового произвольного значения нагрузки. Снимите осциллограммы выходного напряженияи тока.

3.4.По завершении эксперимента отключите источник G1, питание преобразователя А5, осциллограф, блок датчиков тока и напряжений А6, блоков мультиметров Р1.1, Р1.2.

3.5.По результатам таблицы 1.1 постройте ВАХ тиристора и зависимость выходного тока от напряжения.

3.6. Изменить схему согласно рисунку 1.4.

Рисунок 1.4 – Схема соединения выпрямителя

3.7.Включите выключатель «СЕТЬ» блока мультиметров Р1.1, P1.2, выпрямителя А5, датчиков тока и напряжений А6, источник G1.

3.8.Изменяя сопротивление реостата А10, снимите показания вольтметра P 1.1 и амперметра P 1.2 и занесите в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 – Сводная таблица снимаемых параметров

3.9. По завершении эксперимента отключите источник G1, питание выпрямителя А5, осциллограф, блок датчиков тока и напряжений А6, блоков мультиметров Р1.1, Р1.2.

3.10. По результатам таблицы 1.2 постройте ВАХ диода и зависимость выходного тока от напряжения.

Содержание отчета

1. Рисунок схемы соединения блоков, на основе которой проходила соответствующая часть лабораторной работы.

2. Осциллограммы напряжений при различных углах управления.

3. Сводная таблица данных для каждой части лабораторной работы.

4. Графики экспериментально полученных характеристик.