Материал: Исследование характеристик диодов и тиристоров

При включении трансформатора начальная магнитная индукция имеет определенные значения. В переходном процессе изменения индукции после включения с произвольным углом управления может быть превышено максимальное значение индукции установившегося цикла перемагничивания. Это вызывает насыщение трансформатора и резкое увеличение (выброс) тока намагничивания, который снижается до установившегося значения за десятки периодов. Выбросы тока намагничивания могут в десятки раз превышать номинальный ток трансформатора. Введением определенного угла управления в первом полупериоде в начале каждого цикла включения мож но практически устранить выбросы тока намагничивания. При этом диаграмма напряжения на нагрузке соответствует рисуке 1.15 е.

Качество напряжения на выходе тиристорного регулятора переменного напряжения и коэффициент мощности могут быть улучшены при применении многозонной импульсной модуляции. Такая модуляция может быть реализована в схеме рисунка 1.14 г. При этом вид напряжения на нагрузке будет соответствовать диаграммам рисунка 1.15 ж, з, и. Диаграмма рисунка 1.15 з может быть реализована, если в схеме рисунка 1.14 г. заменить обычные тиристоры на запираемые.

На рисунке 1.14 д приведена схема трехфазного преобразователя переменного напряжения. Если нагрузка при этом имеет нулевой вывод, то процессы и диаграммы напряжений на нагрузке ничем не отличаются от процессов в однофазной схеме. При отсутствии нулевого вывода процессы и диаграммы существенно усложняются.

Фазовое регулирование может быть применено для регулирования скорости асинхронного двигателя (рисунок 1.14 д). Однако, из-за большого содержания высших гармоник в токе, протекающем через фазы двигателя при таком регулировании, понижение скорости может быть весьма кратковременным во избежание перегрева двигателя. Такое регулирование получило очень широкое применение в устройствах для ограничения пусковых токов асинхронных двигателей. В устройствах для плавного пуска асинхронных двигателей угол управления плавно уменьшается от начального значения до полного включения тиристоров. При этом пусковые токи снижаются в 2…3 раза.

2. Силовая электроника. Система условных обозначений диодов и тиристоров. Основные характеристики и параметры. Способы охлаждения расчёт нагрузочной способности

2.1 Силовая электроника. Система условных обозначений диодов

Принцип действия и классификация диодов

Основу диодов составляет двухслойная монокристаллическая полупроводниковая структура с электронно-дырочным переходом или контакт металл-полупроводник. Принцип действия Диодов определяется свойством односторонней проводимости p-n перехода. Полупроводниковая структура с p-n переходом конструктивно оформляется в виде узла выпрямительного элемента, который помещается в герметичный корпус с выводами анода и катода. Полупроводниковые диоды выполняются на токи от нескольких миллиампер до килоампер прямого тока (обратное напряжение 5 кВ и выше).

Рис. 2.1 Условное обозначение диода на схемах

Диоды малой и средней мощности () делятся на точечные и бескорпусные; силовые диоды () делятся на штыревые и таблеточные (Таблица 2).

По назначению диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные и специальные. Выпрямительные которые предназначены для выпрямления переменного тока. К ним относятся в основном силовые диоды. Силовые диоды по нагрузочной способности в области пробоя обратной ветви ВАХ подразделяются на простые выпрямленные и лавинные с контролируемым пробоем (стабилитроны).

По назначению диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные и специальные. Выпрямительные которые предназначены для выпрямления переменного тока. К ним относятся в основном силовые диоды. Силовые диоды по нагрузочной способности в области пробоя обратной ветви ВАХ подразделяются на простые выпрямленные и лавинные с контролируемым пробоем (стабилитроны).

Таблица 2

По назначению диоды подразделяются на выпрямительные, импульсные и специальные. Выпрямительные которые предназначены для выпрямления переменного тока. К ним относятся в основном силовые диоды. Силовые диоды по нагрузочной способности в области пробоя обратной ветви ВАХ подразделяются на простые выпрямленные и лавинные с контролируемым пробоем (стабилитроны).

В зависимости от времени обратного восстановления диоды делятся на: диоды с нормируемым временем восстановления и быстродействующие диоды с нормируемым временем восстановления (частотные).

Силовые диоды того или иного вида, подвида и модификации в зависимости от допускаемого тока подразделяются по типу, а диоды одного типа - на классы и допустимому обратному напряжению

Импульсные диоды применяются в маломощных цепях автоматики. Они отличаются малым временем переключения из закрытого состояния в открытое и обратного переключения и обладают хорошими частотными характеристиками.

К специальным диодам относят стабилитроны, фотодиоды, светодиоды, варикапы, туннельные диоды.

Параметры и обозначение силовых диодов

Параметры - это численные значения величин, определяющих характерные точки ВАХ и допустимые режимы.

Параметры силовых диодов:

) повторяющееся импульсное обратное напряжение U_RRM - максимальное обратное напряжение, которое каждый период может прикладываться к диоду (рис. 2.2 б), которое примерно составляет 0,7 напряжения пробоя U_BR. В современных диодах оно достигает 10 кВ. U_RRM в сотнях вольт определяет класс выпрямительного диода. Например, если U_RRM = 5000 В, то диод 50 класса;

) максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток) I_FAVm, определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе частотой 50 Гц, угле проводимости 180° и заданной температуре кристалла или корпуса:

I_FAVm =  (2.1)

Здесь U_m - амплитудное значение напряжения сети; R_d - активное сопротивление нагрузки; I_m - амплитудное значение выпрямленного тока. Предельный ток I_FAVm определяет тип вентиля, в современных выпрямительных диодах он достигает 8 кА;

) максимальный обратный ток IR (доли мкА - десятки мА);

) импульсное прямое напряжение UFM - максимальное значение прямого напряжения, обусловленное максимально допустимым средним прямым током I_FAVm (рис. 2.2 б). Оно составляет 1…3 В;

) пороговое напряжение U₀ (0,5… 1,5 В) и дифференциальное сопротивление r_Д (рис. 2.2 б - в).

) время восстановления обратного сопротивления t_rr (рис. 2.3) - интервал времени, прошедший с момента прохождения тока через нуль (после изменения полярности приложенного напряжения) до момента, когда обратный ток достигнет заданного малого значения (доли нс - доли мкс для высокочастотных и 25… 100 мкс для низкочастотных);

) заряд обратного восстановления Q_rr - используется для определения мощности потерь обратного восстановления (десятки нК - десятки мкК).

Расшифровка буквенно-цифрового обозначения силовых диодов представлена на рисунке 2.2.

Рис. 2.2 Обозначения силовых диодов

Разновидности силовых диодов

Диоды низкочастотные общего применения (на средние напряжения) на основе р-n-перехода с допустимыми напряжениями до 1 кВ выпускаются на токи до 8 кА. Время обратного восстановления диодов обычно находится в диапазоне 25… 100 мкс, что ограничивает их использование при частоте свыше 500 Гц. Их основное применение - неуправляемые выпрямители при промышленной частоте.

Диоды низкочастотные высоковольтные, основанные на процессах в р - i-n структуре с допустимыми напряжениями до 10 кВ (i - слой собственного полупроводника). Слой собственного полупроводника, имеющий высокое сопротивление позволяет увеличить допустимое напряжение.

Диоды высокочастотные (быстровосстанавливающиеся) на средние напряжения на основе р-п-перехода, но дополнительно легированные золотом методом диффузии. Атомы золота создают рекомбинационные центры, обеспечивающие ускорение рекомбинации носителей заряда после прохождения тока. Время восстановления обратного сопротивления t_rr в них снижается в пределе до 100 нс. Предельный ток этих диодов 1 кА, допустимые напряжения достигают 1 кВ, а при некотором увеличении времени восстановления обратного сопротивления - 3 кВ.

Быстровосстанавливающиеся силовые диоды применяются в схемах преобразователей при частотах 2 - 20 кГц для шунтирования запираемых тиристоров и транзисторов и пропускания тока в обратном направлении.

Для высоковольтных преобразователей рекомендуется использовать специально разработанные ультрабыстрые диоды Hexfred, которые имеют величину обратного напряжения U_RRM до 1200 В, время обратного восстановления t_rr до 100 нс, прямое падение напряжения до 2,0 В, максимально допустимый средний прямой ток I_FAVm до 100 А и выше.

Диоды Шоттки - высокочастотные низковольтные диоды на основе перехода металл-полупроводник. Их особенностью является то, что прямой ток обусловлен движением только основных носителей - электронов. Таким образом, диоды Шоттки являются униполярными приборами с одним типом основных носителей. Отсутствие накопления неосновных носителей существенно уменьшает их инерционность. Время восстановления t_rr составляет обычно не более 0,3 мкс, падение прямого напряжения U_FM примерно 0,3 - 0,6 В. Значения обратных токов IR в этих диодах на 2 - 3 порядка выше, чем в диодах с р-п-переходом. Диапазон предельных обратных напряжений U_RRM обычно ограничивается 200 В, максимально допустимый средний прямой ток I_FAVm до 100 А. Диоды Шоттки применяются в схемах преобразователей при частотах 2 - 100 кГц для шунтирования полевых транзисторов и пропускания тока в обратном направлении.

Статические характеристики и схема замещения силового диода при низкой частоте

Выпрямительные диоды применяются в основном для построения выпрямителей в промышленных сетях переменного тока частотой 50 - 60 Гц.

Выпрямление основано на свойстве р-п-перехода, хорошо пропускать ток в одном направлении и почти не пропускать его в другом. Таким образом, выпрямительный диод представляет собой электронный ключ, управляемый приложенным к нему напряжением. При прямом напряжении ключ замкнут, при обратном - разомкнут. Такому электронному ключу соответствует вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального диода (рисунок 2.3 а).

Однако в действительности диод не является идеальным, т.к. во включенном состоянии на нем падает прямое напряжение порядка 1 - 2 В, а в выключенном состоянии через диод протекает обратный ток, который мал. Поэтому ВАХ реального диода отличается от идеальной (рисунок 2.3 б).

Рисунок 2.3. Вольтамперные характеристики силового диода: идеальная (а), реальная (б), идеализированная (в) и его схема замещения (г)

При расчетах ВАХ аппроксимируются. Выделяют идеализированную ВАХ (рис. 2.3 в), которая позволяет учесть потери в проводящем состоянии, а для закрытого состояния диод считается идеальным (сопротивление равно бесконечности). Согласно идеализированной ВАХ модель диода в открытом состоянии описывается линейным уравнением

= U₀ + I · r_Д, (2.2)

где U₀ - пороговое напряжение диода; r_д = ДU/ДI - дифференциальное сопротивление диода во включенном состоянии.

На рисунке 2.3 г. приведена схема замещения диода при низкой частоте, где VD - идеальный диод.

2.2 Система условных обозначений тиристоров. Основные характеристики и параметры

Назначение и классификация тиристоров

Тиристорами называются полупроводниковые приборы с тремя и более р-п-переходами, предназначенные для использования в качестве электронных ключей в схемах переключения электрических токов. Классификация тиристоров представлена на рисунке 2.4.

По способу управления тиристоры можно разделить на две группы:

а) с неполной управляемостью - включение осуществляется сигналом управления, а выключение - при спаде тока через прибор до нуля. К этой группе относятся следующие разновидности тиристоров: асимметричный тиристор (SCR), симистор, фототиристор и оптотиристор. Тиристоры данной группы нашли широкое применение в регулируемом электроприводе постоянного тока, а также в системах плавного пуска асинхронных электродвигателей. На их основе строятся управляемые выпрямители тока, преобразователи переменного напряжения и др. виды преобразователей;

б) полностью управляемые - включение и выключение осуществляется сигналом управления. К этой группе относятся запираемые тиристоры и их разновидности: запираемый тиристор GTO, запираемый тиристор GTC, интегрированный запираемый тиристор IGTC и полевые тиристоры MCT.

Рисунок 2.4. Классификация тиристоров

Аббревиатура GTO - это сокращение названия gate turn-off thyristor. В переводе это значит тиристор, включаемый выключаемый управлением. Аббревиатура GCT - это сокращение названия gate commutated thyristor. В переводе это значит тиристор, коммутируемый управлением. Аббревиатура IGCT - это сокращение названия integrated gate commutated thyristor. В переводе это значит интегрированный тиристор, коммутируемый управлением. Аббревиатура MCT - это сокращение названия MOS - control thyristor. В переводе это значит тиристор, управляемый МОП.

Возможность полного управления предопределила их области применения - это регулируемый электропривод переменного тока (автономные инверторы напряжения для преобразователей частоты), мощные источники питания электрических подстанций, системы бесперебойного питания, статические компенсаторы и т.д.

Условные обозначения тиристоров показаны на рисунке 2.4. В дальнейшем при изложении материала асимметричный тиристор будем называть просто тиристором.

Статические характеристики тиристоров

Тиристор - это полупроводниковый прибор, содержащий четыре слоя с разным типом проводимости, способный под действием управляющего сигнала переходить из закрытого в открытое состояние.

Тиристоры с четырехслойной структурой р-п-р-п имеют три вывода: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ) (рисунок 2.5 а). Если напряжение на аноде по отношению к катоду положительное, то переходы П1 и П3 смещаются в прямом направлении, а П2 - в обратном.

Рисунок 2.5. Структура обычного тиристора (а) и его эквивалентная схема (б, в)

Структуру тиристора можно представить в виде двух соединенных трехслойных структур: р - п - р и п-р-п (рисунок 2.5 б), эквивалентных биполярным транзисторам VT1 и VT2 (рисунок 2.5 в). Включение тиристора происходит при наличии между анодом и катодом положительного напряжения и подаче на его управляющий электрод импульса управления. Благодаря положительной обратной связи между эквивалентными транзисторами VT1 и VT2 процесс включения тиристора начинает лавинообразно развиваться до состояния, когда анодный ток становится равным значению, определенному сопротивлением нагрузки.

Анализируя процессы в схеме с эквивалентными транзисторами (рисунок 2.5 в), можно убедиться в том, что если произошло включение тиристора (протекает анодный ток), то прекращение тока управления не приводит к выключению схемы. Это связано с наличием внутренней положительной обратной связи. Чтобы выключить тиристор нужно уменьшить ток в цепи анода до малой величины или приложить к нему обратное напряжение. Таким образом, обычный тиристор - это прибор с неполной управляемостью.

Идеальная статическая выходная ВАХ тиристора представлена на рисунке 2.6 а из которой видно, что тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии может выдерживать как прямое, так и обратное напряжение.

Рисунок 2.6. Идеальная (а) и реальная (б) выходные статические ВАХ тиристора

На рисунке 2.6 б представлено семейство реальных выходных статических ВАХ при разных значениях тока управления I_У. Предельное прямое напряжение, которое выдерживает тиристор без его включения, имеет максимальные значения при I_У = 0. Чем больше ток управления, тем при меньшем напряжении на аноде включается тиристор. Включенному состоянию тиристора соответствует ветвь 3, а выключенному - ветвь 1. Процессу включения соответствует участок 2 ВАХ. При приложении к тиристору обратного напряжения прибор все время находится в закрытом состоянии (участок 4), поскольку переходы П1 и П3 находятся под обратным напряжением, а П2 смешен в прямом направлении (рисунок 2.5 а). При увеличении обратного напряжения начинается резкое возрастание обратного тока (участок 5), связанное с лавинным пробоем тиристора. Участок 5 является запрещенным участком работы тиристора.

На рисунке 2.7 а приведена схема управления тиристором. Управляющие импульсы амплитудой Е_У (рисунок 2.7 б) подаются на управляющий электрод через резистор R_У, служащий для ограничения тока. Диаграмма управления тиристором (рисунок 2.7 в) служит для выбора параметров схемы управления. Жирными линиями на рисунке 2.7 в показаны границы области существования входных характеристик соответствующих минимальному и максимальному сопротивлению управляющего перехода. Заштрихованная область 1 - это область существования токов управления, при которых тиристор не включается при минимальных напряжениях на аноде. Кривые 2 - это гиперболы постоянной средней мощности, выделяемой на управляющем переходе при различной относительной длительности импульсов А = (t_И·100%)/T (рисунок 2.7 б), где t_И - время импульса, а Т - период их следования. На диаграмме показаны также предельно допустимые значения тока и напряжения управления.

По диаграмме управления выбираются значения Е_У, R_y и t_И (А), при которых ток управления I_У и напряжение на управляющем электроде U_У должны находиться внутри разрешенной области. Во время действия управляющего импульса справедливо уравнение, записанное по второму закону Кирхгофа для цепи управления (рисунок 2.7 а)

Е_У = U_У + I_У ·R_У или U_У = Е_У - I_У · R_У. (2.3)

Уравнение (2.4) является прямой, которая может быть построена по двум точкам: если I_У = 0, то U_У = Е_У; если U_У = 0, то I_У = Е_У / R_У.

При значениях Е_У, R_У, выбранных на рисунке 2.7 в, не превышаются допустимые величины I_У._ДОП, U_У.ДОП, а значение А не должно превышать 0,1%.

Динамические характеристики тиристоров

Динамические характеристики тиристоров определяются по переходным процессам включения и выключения.

Рисунок 2.7. Схема управления тиристором (а); форма сигнала управления (б) и диаграмма управления тиристором (в)

. Переходный процесс включения. Схема включения тиристора и переходные процессы при включении тиристором активной нагрузки приведены на рисунке 2.8. Включение происходит не мгновенно, так как должны произойти сложные физические процессы, связанные с накоплением носителей зарядов в средних слоях и расширением проводящего канала от управляющего электрода по всему объему. Для количественной оценки процесс включения разбивается на ряд интервалов. Время включения тиристора t_вкл - это время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,1 начального значения (оно составляет несколько микросекунд)

t_вкл= t_з + t_Н, (2.4)

где t_з - время задержки (время от момента подачи управляющего импульса до момента спада напряжения на тиристоре до 0,9 начального значения); t_Н - время нарастания (время изменения напряжения на тиристоре от 0,9 до 0,1 начального значения или нарастания тока от 0,1 до 0,9 установившегося значения).

Однако по истечении времени включения тиристор еще не полностью включается и напряжение на нем продолжает спадать до установившегося значения. Время спада напряжения на тиристоре от 0,1 начального до установившегося значения называется временем установления t_УСТ (оно составляет 10…500 мкс).

При включении тиристора мгновенная мощность потерь может достигать очень больших значений. Например, если Е= 1000 В, а I_УСТ = 1000 А, то Р_mах = 0,5Е·0,5I_УСТ = 250000 Вт = 250 кВт. Чтобы облегчить условия работы тиристора при включении, целесообразно включить последовательно с тиристором индуктивность L (рисунок 2.8). Это снизит скорость нарастания анодного тока и уменьшит потери при включении. С учетом допустимых потерь при включении тиристора вводится параметр допустимая скорость нарастания анодного то  =(10… 100)

Рисунок 2.8. Переходный процесс включения: схема включения (а) и переходные процессы включения тиристора (б)

. Переходный процесс выключения. На рисунке 2.9 показана схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения, и приведены временные диаграммы переходных процессов, возникающих при выключении тиристора.

Переходный процесс выключения тиристора состоит из двух этапов:

) восстановление запирающей способности в обратном направлении;

) восстановление управляемости в прямом направлении.

На интервале 0 - t₁ тиристор находится во включенном состоянии

(анодный ток равен I_уст, прямое напряжение равно U_T). При приложение к тиристору скачком обратного напряжения анодный ток начинает уменьшаться (темп спада ограничивается индуктивностью L_ОГP) - интервал t₁ - t₂. После спада анодного тока и анодного напряжения до нуля, как и у диодов, начинается процесс обратного восстановления в течение времени t_rr. За это время р-n - переход, образованный между управляющим электродом и катодом (рисунок 2.5 а), освобождается от заряда избыточных носителей Q_rr (дырок), накопленных в базовом p-слое тиристора. Время обратного восстановления t_rr складывается из двух интервалов:
_rr = t_s + t_f, (2.5)

где t_s - время запаздывания обратного напряжения; t_f - время спада обратного тока.

Рисунок 2.9. Схема подачи на включенный тиристор обратного напряжения (а) и диаграммы переходных процессов при выключении тиристора

Заряд, вытекающий из вентиля за время обратного восстановления:

_rr = Q_s + Q _f. (2.6)

Здесь Q_s, Q_f - заряды, вытекающие из вентиля соответственно за время запаздывания обратного напряжения и за время спада обратного тока.

Таким образом, время обратного восстановления t_rr - это время от перехода прямого тока через нуль до перехода через нуль касательной к уменьшающемуся обратному току (составляет доли или единицы микросекунд).

Однако после этого нельзя подавать прямое напряжение на тиристор, так как заряд избыточных дырок в n-базе достаточно велик и мгновенно приведет к действию регенеративный механизм включения тиристора. Поэтому требуется время на рекомбинацию накопленного заряда дырок в базовом n-слое тиристора. За это время тиристор восстанавливает свою управляющую способность в прямом направлении.

Время выключения (время восстановления запирающей способности тиристора в прямом направлении) t_q - это наименьший интервал времени от момента спада тока до нуля, до момента перехода анодного напряжения через нуль без включения тиристора. Оно составляет 10…500 мкс и ограничивает частотные возможности тиристоров. Если время, предоставленное для выключения тиристора, меньше t_q (рисунок 2.9 б пунктирные кривые u’, i’_a, u’_a), то происходит прорыв анодного тока, т.е. включение тиристора без подачи управляющего сигнала (это аварийный режим).

Переходный процесс при резком нарастании прямого напряжения на тиристоре. При нарастании прямого напряжения на тиристоре (рисунок 2.9 а) центральный р-n-переход П2 смещается в обратном направлении и через его емкость C на управляющий электрод протекает ток, определяемый скоростью нарастания прямого напряжения:

, i_c = C · ()

Если при каком-то  этот ток достигает достаточной величины, то тиристор включается без подачи управляющего импульса. Следовательно, существует _ДОП, при котором тиристор не включится. В современных тиристорах _ДОП = (20…1000) .

Параметры тиристоров

Ряд параметров мощных тиристоров аналогичен параметрам выпрямительных диодов, но имеется много дополнительных параметров. Разобьем параметры тиристоров на группы.

Параметры силовой цепи по току

) I_ТАVт - максимально допустимый средний прямой ток (предельный ток), определяемый в однофазной однополупериодной схеме выпрямления при синусоидальном токе с частотой 50 Гц, угле проводимости 180°, допустимой температуре кристалла или корпуса и заданных условиях охлаждения. Таким образом, он определяется так же, как и у диода. Предельный ток достигает 10 кА.

Допустимый ток тиристора, при условиях не соответствующих указанным выше, зависит от ряда факторов: частоты, угла проводимости, температуры охлаждающей среды и скорости охлаждающего воздуха (рисунок 2.10).

Зависимость допустимого тока I_TAVm от частоты в относительных единицах K_i = Ш(f) представлена на рисунок 2.10 а, где Ki = I_TAV / I_TAVm. С ростом частоты ток I_TAV уменьшается, так как растут коммутационные потери.

Рисунок 2.10. Зависимость допустимого тока в относительных единицах от различных факторов: частоты (а); угла проводимости (б); температуры окружающей среды (в) и скорости охлаждающего воздуха (г)

С уменьшением частоты ниже 50 Гц ток I_TAV падает из-за больших колебаний температуры кристалла и_pn, превышающих допустимую температуру и_ДОП, так как при той же максимальной температуре должна быть уменьшена средняя (сравните рисунок 2.11 а и б).

Рисунок 2.11. Диаграммы тока и температуры кристалла при f = 50 Гц (а) и при f = 1 Гц (б)

Зависимость допустимого тока I_TAV от угла проводимости в относительных единицах K_i=fv(л) представлена на рисунок 2.10 б. С уменьшением угла проводимости растет коэффициент формы тока, поэтому при сохранении действующего значения тока снижается его среднее значение.

Зависимость допустимого тока I_TAV от температуры окружающей среды в относительных единицах K_i = f (T°) представлена на рисунок 2.10 в.

Зависимость допустимого тока I_mV от скорости охлаждающего воздуха в относительных единицах K_i =f(V) представлена на рисунок 2.10 г. При отсутствии принудительного охлаждения воздух продолжает двигаться из-за конвекции. Эта точка на графике помечена: е.о. (естественное охлаждение).

) I_TSM - ударный ток - максимально допустимая амплитуда импульса

аварийного тока синусоидальной формы длительностью 10 мс. Этот ток в 15…30 раз превышает предельный ток I_TAVm. Но так как предельный ток - это среднее значение, то амплитудное значение предельного тока превышается лишь в 7…10 раз.

)  dt - максимально допустимое значение интеграла аварийного тока по времени, обычно за время полупериода промышленной частоты. Оно определяет энергию, которая может выделиться в тиристоре без его разрушения.

Параметры силовой цепи по напряжению:

) U_RRM и U_DRM - повторяющееся импульсное напряжение в обратном и прямом направлении - максимальное напряжение, которое каждый период может прикладываться к тиристору (рисунок 2.12)

U_RRM =(0,7…0,8) - U_BR; U_DRM = (0,7 k 0,8) - U _BO. (2.7)

Здесь U_BR - напряжение лавинного пробоя; U_BO - напряжение переключения тиристора. В современных тиристорах повторяющееся импульсное напряжение достигает 10 кВ. Как и у диодов, оно определяет класс тиристора;

) U_RSM и U_DSM - неповторяющиеся импульсные напряжения в обратном и прямом направлениях, которые редко могут прикладываться к тиристору (рисунок 2.12);

Рисунок 2.12. Параметры по напряжению на ВАХ тиристора в запертом (а) и открытом (б) состоянии

) U_RWM и U_DWM - рабочие напряжения (рисунок 2.12), которые следует использовать в расчетах (составляют 70% от U_RRM или U_DRM);

) U_TM - импульсное напряжение в открытом состоянии при протекании предельного тока (1.3) В;

) U_T(TO) - пороговое напряжение тиристора, а также его дифференциальное прямое сопротивление r_Т.

Динамические параметры тиристора t_ВК, t_q, ,  определены при описании переходных процессов включения и выключения тиристора (рисунок 2.8 - 2.9).

Параметры цепи управления I_{у. доп}, U_{y. доп}, Р_у.доп определены при описании диаграммы управления (рисунок 2.7).

3. Исследование силовых полупроводниковых приборов на лабораторном стенде

3.1 Введение

Лабораторные занятия по курсу «Электронная преобразовательная техника» дают представление о физических свойствах, параметрах и характеристиках дискретных полупроводниковых приборов.

Лабораторный стенд имеет источники питания, наборную панель с гнёздами и клеммами для сборки электрических схем, необходимых для снятия характеристик используемого прибора. На рабочем месте имеется комплект проводов с наконечниками, измерительными и исследуемыми приборами. На рисунке 3.1 представлен план учебной лаборатории.

Рисунок 3.1 План учебной лаборатории

Входное напряжение блока питания 127 В. Выходное напряжение постоянное:

В 1 А;

…15 В 0,5 А - регулируемый G1;

…15 В 0,5 А - регулируемый G2;

…5 В 3 А - регулируемый G3.

Регулируемые источники питания имеют защиту от короткого замыкания. При срабатывании защиты необходимо выключить стенд и выдержать в таком состоянии 5…10 сек.

Источник питания выполнен в виде отдельного модульного элемента в корпусе и вмонтирован в лабораторный стенд.

Источник питания осеспечивает

В; 0,1 А - нерегулируемый;

В; 5 А - нерегулируемый;

В; 0,3 А - для питания входных цепей транзисторов, регулируемый 0…4,5 В;

В; 0,5 А - для питания выходных цепей транзисторов, регулируемый 0…14 В.

3.2 Исследование силовых полупроводниковых диодов

Цель работы - изучение свойств силовых полупроводниковых диодов и условий их работы при групповом соединении в схемах преобразователей.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы с одним электронно-дырочным переходом (p-n-переходом одним из свойств p-n-перехода является способность изменять свое сопротивление в зависимости от полярности напряжения внешнего источника. Причем разница сопротивлений при прямом и обратном направлениях тока через p-n-переход может быть настолько велика, что в ряде случаев, например для силовых диодов, можно считать, что ток протекает через диод только в одном направлении - прямом, а в обратном направлении ток настолько мал, что им можно пренебречь. Прямое направление - это когда электрическое поле внешнего источника направлено навстречу электрическому полю p-n-перехода, а обратное - когда направления этих электрических полей совпадают.

Полупроводниковые диоды, использующие вентильное свойство p-n-перехода, называются выпрямительными диодами и широко используются в различных устройствах для выпрямления переменного тока.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) идеализированного p-n перехода описывается известным уравнением:

, (3.1)

где  - обратный ток p-n-перехода; q - заряд электрона (q =1,6 ⋅ Кл); k - постоянная Больцмана (k =1,38⋅Дж/К); T - температура в градусах Кельвина.

Графическое изображение этой зависимости представлено на рисунке 3.1

Вольт-амперная характеристика имеет явно выраженную нелинейность, что предопределяет зависимость сопротивления диода от положения рабочей точки.

Различают сопротивление статическое R_ст и динамическое R_дин. Статическое сопротивление R_ст, например в точке А (рисунке 3.1), определяется как отношение напряжения U_A и тока I_A, соответствующих этой точке: R_ст =  = tgб.

Динамическое сопротивление определяется как отношение приращений напряжения и тока (рисунке 3.2): R_дин = .

Рисунок 3.2 Динамическое сопротивление диода

При малых значениях отклонений ДU и ДI можно пренебречь нелинейностью участка АВ характеристики и считать его гипотенузой прямоугольного треугольника АВС, тогда R_дин = tgв.

Если продолжить линейный участок прямой ветви вольт-амперной характеристики до пересечения с осью абсцисс, то получим точку U₀ - напряжение отсечки, которое отделяет начальный пологий участок характеристики, где динамическое сопротивление R_дин сравнительно велико от круто изменяющегося участка, где R_дин мало.

Если увеличивать напряжение, приложенное в обратном направлении к диоду, то сначала обратный ток будет изменяться незначительно, а затем при определенной величине U_проб начнется его быстрое увеличение (рисунок 3.3), что говорит о наступлении пробоя p-n-перехода.

Существуют несколько видов пробоя p-n-перехода в зависимости от концентрации примесей в полупроводнике, от ширины p-n-перехода и температуры:

обратимый (электрический пробой);

необратимые (тепловой и поверхностный пробои).

Необратимый пробой для полупроводникового прибора является нерабочим и недопустимым режимом.

Рисунок 3.3 Пробой p-n-перехода

Поэтому в паспортных данных диода всегда указывается предельно допустимое обратное напряжение U_проб (напряжение лавинообразования), соответствующее началу пробоя p-n-перехода. Обратное номинальное значение напряжения составляет обычно 0,5U_проб и определяет класс прибора по напряжению. Так, класс 1 соответствует 100 В обратного напряжения, класс 2 - 200 В и т.д.

3.3 Оборудование, используемое в лабораторной работе

испытуемые диоды VD1 - VD4 (В 50);

мультиметр;

соединительные провода;

ЛАТР (лабораторный автотрансформатор);

вольтметр Ш4313

амперметр (15 mA);

волльметр (15 В).

Основные технические параметры В 50-10:

диод кремниевый диффузионный.

предназначен для работы в цепях статических преобразователей электроэнергии постоянного и переменного токов на частотах до 2 кГц.

выпускаются в металлостеклянном корпусе с гибким выводом.

средний прямой ток - 50 А

повторяющееся импульсное обратное напряжение - 1000 В

охлаждение воздушное естественное или принудительное.

обозначение типономинала и полярность выводов приводятся на корпусе.

Масса диода не более 190 г.

Технические условия: ТУ 16-529.765-73.

3.4 Исследование полупроводникового диода В 50

Изучить схемы включения полупроводниковых приборов (рисунок 3.4-3.7) для снятия вольт-амперных характеристик ВАХ диода.

Оборудование, используемое в лабораторной работе.

. Экспериментальное получение прямой ветви ВАХ диода I_пр = f (U_пр), представленной на рисунок 3.4.

.1. Подключить стенд к сети, поставив сетевой тумблер в положение ВКЛ и нажав кнопку СЕТЬ на блоке питания.

.2. На одном из источников питания V1 или V2 с помощью ручек установить напряжение 5 В, измерив его мультиметром на пределе измерения 20 В.

.3. Отключить сетевой тумблер.

.4. Ручку потенциометра R1 повернуть против часовой стрелки до упора.

.5. Подать питание на исследуемую схему: «+» - X1, «-» - Х2.

.6. Подключить согласно схеме, соблюдая указанную полярность мультиметра со следующими пределами измерения: «20 mA» - в режиме амперметра, «2 V» - в режиме вольтметра.

.7. После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.

Рисунок 3.4. Принципиальная схема лабораторной установки для снятия прямой ветви ВАХ диода

.7. После проверки схемы преподавателем включить сетевой тумблер.

.8. Поворачивая ручку потенциометра R1 по часовой стрелке, изменять прямое напряжение диода в пределах, указанных в таблтце 3.1, фиксируя значения тока через каждые 0,1-0,05 В. Результаты измерений занести в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

1.9. Выключить сетевой тумблер.

. Экспериментальное получение обратной ветви ВАХ диода I_обр = f (U_обр) с использованием схемы А2.

.1. На обоих источниках питания V1 и V2 выставить максимальные напряжения 15 В, повернув ручки ГРУБО и ПЛАВНО по часовой стрелке до упора. Соединить источники последовательно, установив, таким образом, напряжение блока питания 30 В.

.2. Подать напряжение питания на исследуемую схему: «+» источника V2 - на клемму X1, «-» источника V1 - на клемму Х2.

.3. Ручку потенциометра R2 повернуть против часовой стрелки до упора.

.4. Подключить согласно мнемосхеме, соблюдая указанную полярность мультиметра со следующими пределами измерения: «200 мA» - в режиме амперметра, «200 V» - в режиме вольтметра.

Рисунок 3.6 Принципиальная схема лабораторной установки для снятия обратной ветви ВАХ диода

.5. После проверки схемы преподавателем включить стенд в сеть, поставив сетевой тумблер в положение ВКЛ и нажав кнопку СЕТЬ на блоке питания.

.6. Поворачивая ручку потенциометра R₂ по часовой стрелке, изменять обратное напряжение на диоде в пределах, указанных в таблице 3.2. Значения тока фиксировать через каждые 5 В. Результаты измерений занести в таблицу 3.2

Таблица 3.2

Рисунок 3.6 ВАХ диодов

.7. Выключить сетевой тумблер.

. По данным табл. 3.1 и 3.2 построить ВАХ диода (рисунок 3.6)

.3 Исследование тиристоров

.3.1 Характеристики исследуемого тиристора ТЧ100-10

Тиристор быстродействующий штыревого исполнения. Предназначен для работы в статических преобразователях электроэнергии, в силовых установках постоянного и переменного тока, в которых требуется малое время выключения и включения, а также высокие критические скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии и тока в открытом состоянии. Выпускаются в металлокерамическом корпусе с жестким выводом. Максимально допустимый действующий ТОК-100А. Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии И повторяющееся импульсное обратное напряжение - 1000 В. Охлаждение воздушное естественное или принудительное.

Обозначение типономинала приводится на корпусе.

Габаритные размеры:

общая длина - 100,8 мм

длина шпильки - 15 мм

резьба - М20

.3.2 Цель и программа работы

Целью работы является изучение свойств тиристоров как полупроводниковых переключательных приборов с двумя устойчивыми состояниями и принципа их применения с схемах управляемых преобразователей.

.3.3 Рекомендации по подготовке к работе

Тиристор - полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями (низкой проводимости - закрыт, высокой проводимости - открыт), в основу которого положена четырёхслойная монокристаллическая структура (р-n-p-n) с тремя электронно-дырочными переходами. Обычный (триодный) тиристор имеет три электрода: анод, катод и управляющий электрод. Переключение тиристора из закрытого состояние в открытое достигается при приложении прямого напряжения и подаче сигнала по цепи управления. При обратном напряжении тиристор не проводит ток. Таким образом, тиристор представляет собой электронный ключ с односторонней проводимостью. Кроме обычных не запираемых тиристоров имеются запираемые тиристоры.

Выключение не запираемых тиристоров происходит при снижении прямого тока ниже тока управления, равно нулю, и выдержке в таком состоянии не менее времени выключения.

Для выключения запираемого тиристора требуется лишь одно условие - подать по цепи управления в обратном направлении кратковременный импульс тока с амплитудой, примерно равной одной трети выключаемого анодного тока.

В данной работе исследуется обычный не запираемый тиристор, являющийся самым распространённым типом тиристоров в мощных выпрямительных установках подстанций и электроподвижного состава.

Конструктивное исполнение силовых тиристоров аналогично силовым диодам. Проблемой нагрузочной и перегрузочной способностей, охлаждения, разброса характеристик, группового соединения являются аналогичными с диодами, рассмотренными в предыдущей лабораторной работе.

Свойства тиристоров оцениваются по предельным и характеризующим параметрам. Основными параметрами тиристоров являются:

повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии и в обратном направлении (определяет класс тиристора) U_DRM; U_RRM;

максимальный допустимый средний ток в открытом состоянии I_TAVm;

импульсное напряжение в открытом состоянии U_TM;

пороговое напряжениеU_TO;

дифференциальное сопротивление в открытом состоянии r_r;

время выключения t_q;

время включения t_qt;

критическая скорость нарастания прямого напряжения () crit;

критическая скорость нарастания анодного тока () cri;

отпирающее напряжение управления U_GT;

отпирающий ток управления I_GT;

.3.4 Исследование вольт-амперных характеристик тиристора

а)

б)

Рисунок 3.7 Электрические схемы для исследования тиристора

Прежде чем приступить к исследованию ВАХ, необходимо правильно подобрать измерительные приборы по их типам и пределам измерений, руководствуясь предельными параметрами тиристора I_TAV, U_RRM, I_RRM, U_TM, U_GM, I_GM. Перед включением тиристора в измерительную схему нужно произвести его ревизию, обратив внимание на обозначение типа и данные заводской маркировки, правильность определения электрических выводов (анод, катод, управляющий электрод).

Исследование ВАХ следует выполнять в два приёма.

Вначале нужно собрать схему рисунок 3.7 а для снятия характеристики цепи управления и прямой ветви ВАХ в открытом состоянии тиристора. В схеме предусмотрены два источника питания: один для питания цепи управления, второй для задания тока нагрузки и анодной цепи тиристора.

Источник анодного напряжения выполнен на основе автотрансформатора (ЛАТР), разделительного трансформатора (Т), ограничительного резистора (R), выпрямительных диодов (VD1, VD2).

Вначале нужно провести измерения по приборам PA2 и PV2 тока I_F0 в пяти - шести точках, задавая напряжение на зажимах цепи управления путём регулирования источника питания при отключённой анодной цепи тиристора. Построив характеристику цепи управления исследуемого тиристора, нужно убедиться, что она проходит через область гарантированного управления.

Далее следует определить отпирающий ток I_GT и отпирающее напряжение U_GT. Для этого, включив источник анодного напряжения и задав невысокое анодное напряжение (10…20 В) при токе I_FG = 0, плавным увеличением напряжения U_FG цепи управления зафиксировать показания приборов PA2 и PV2.

Затем производятся измерения в пяти-шести точках ВАХ тиристора в открытом состоянии, задав ток управления в сообтетствии с областью гарантированного управления. При этом максимальный ток не должен превышать предельного тока I_TAVm. Через открытый тиристор VS_u в прямом направлении будет протекать анодный ток в положительный полупериоды питающего синусоидального напряжения. Значение тока можно плавно изменять, регулируя входное напряжение с помощью ЛАТР. При этом посредствам приборов PA1 и PV1 измеряется среднее значение прямого тока I_TAV и среднее значение прямого напряжения в открытом состоянии тиристора.

Для построения ВАХ нужно получить импульсные (амплитудные) значения анодного тока и анодного напряжения. Поэтому показания амперметра и вольтметра необходимо пересчитать, умножив их на число р=3,14.

Далее нужно собрать схему по рисунку 3.7 б для снятия ВАХ в закрытом состоянии тиристора. При отключении цепи управления тиристора с помощью ЛАТР следует знать задать в нарастающем порядке пять-шесть значений анодного напряжения сначала в прямом, а затем в обратном направлении.

По результатам измерений нужно построить обратную и прямую ветви ВАХ тиристора и оценить совпадение измеренных данных напряжений и токов с соответствующими справочными значениями.

Пример заполнения таблиц параметров при прямом направлении в закрытом состоянии таблица 3.3, в прямом направлении открытом состоянии таблица 3.4, обратном направлении в закрытом состоянии таблица 3.5, а так же параметры цепи управления таблица 3.6.

Таблица 3.3

Таблица 3.4

Таблица 3.5

Таблица 3.6

Рисунок 3.8 ВАХ исследуемого тиристора

4. Специальные типы диодов. Система условных обозначений. Основные характеристики

.1 Виды и обозначение диодов

В зависимости от свойств и поведения ВАХ различают следующие виды диодов.

) Выпрямительные диоды различных классов, отличающиеся напряжением, временем переключения, рабочей полосой частот. ВАХ как у обычного p-n-перехода. Обозначение стандартное (таблица 2.1). В качестве выпрямительных используют сплавные эпитаксиальные и диффузионные диоды, выполненные на основе несимметричных p-n-переходов. Для выпрямительных диодов характерны малые сопротивления и большие токи в прямом режиме. Барьерная емкость из-за большой площади перехода достигает значений десятков пикофарад. Германиевые выпрямительные диоды применяют до температур 70-80^оС, кремниевые до 120-150^оС, арсенид-галлиевые до 150^оС.

Основные параметры выпрямительных диодов:_{обр,макс} - максимально допустимое обратное напряжение, которое диод может выдержать без нарушения его работоспособности;_вып,ср - средний выпрямленный ток;_пр,п - пиковое значение импульса тока при заданных максимальной длительности, скважности и формы импульса;_пр,ср - среднее прямое напряжение диода при заданном среднем значении прямого тока;_ср - средняя за период мощность, рассеиваемая диодом, при протекании тока в прямом и обратном направлениях;_диф - дифференциальное сопротивление диода в прямом режиме.

Стоит отметить класс импульсных диодов, имеющих очень малую длительность переходных процессов из-за малых емкостей переходов (доли пикофарад); уменьшение емкостей достигается за счет уменьшения площади p-n-перехода, поэтому допустимые мощности рассеяния у них меньше, чем у низкочастотных выпрямительных диодов. Их используют в импульсных схемах.

К параметрам, перечисленным выше, для импульсных диодов следует отнести общую емкость С_Д, максимальные импульсные прямые и обратные напряжения и токи, время установления прямого напряжения от момента подачи импульса прямого тока до достижения им заданного значения прямого напряжения и время восстановления обратного сопротивления диода с момента прохождения тока через нуль до момента, когда обратный ток достигает заданного малого значения (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 Ток обратной ветви

После изменения полярности напряжения в течение времени t₁ обратный ток меняется мало, он ограничен только внешним сопротивлением цепи. При этом заряд неосновных носителей, накопленных в базе диода, рассасывается. Далее ток уменьшается до своего статического значения при полном рассасывании заряда в базе.

) Стабилитроны - диоды, предназначенные для работы в режиме электрического пробоя. Условное обозначение отличается от стандартного (таблица 2.1). В этом режиме при значительном изменении тока стабилитрона напряжение на нем меняется мало. В низковольтных (до 5,7В) стабилитронах используется туннельный пробой, а в высоковольтных - лавинный пробой. В них более высокоомная база.

Основные параметры:_ст - напряжение стабилизации при заданном токе в режиме пробоя;_ст,мин и I_{ст,макс} - минимально допустимый и максимально допустимый токи стабилизации;_ст - дифференциальное сопротивление стабилитрона на участке пробоя;

 - температурный коэффициент напряжения (ТКН) стабилизации при заданном токе стабилизации. Туннельный пробой характеризуется отрицательным ТКН, а лавинный - положительным.

Для стабилизации малых напряжений (0,3…1,9В) используют диоды, называемые стабисторами, которые работают в прямом режиме, имеют специальную форму прямой ветви. Обозначение такое же, как у выпрямительных диодов.

) Диод Шотки - разновидность выпрямительных диодов, работающий на основе выпрямляющего контакта металл - полупроводник, образующего контактную разность потенциалов из-за перехода части электронов из полупроводника n - типа в металл и уменьшения концентрации электронов в полупроводниковой части контакта. Эта область обладает повышенным сопротивлением. При подключении внешнего источника плюсом к металлу, а минусом к полупроводнику, потенциальный барьер понизится и через переход пойдет прямой ток.

В диоде Шотки отсутствуют явления накопления и рассасывания основных носителей, поэтому они очень быстродействующие и могут работать на частотах до десятков ГГц. Прямое напряжение составляет ~0,5 В, прямой допустимый ток может достигать сотни ампер, а обратное напряжение - сотен вольт. ВАХ диода Шотки напоминает характеристику обычных p-n-переходов, отличие состоит в том, что прямая ветвь в пределах 8-10 декад напряжения представляет почти идеальную экспоненциальную кривую, а обратные токи достаточно малы - 10^-10…10^-9 А.

Конструктивно диоды Шотки выполняют в виде пластины из низкоомного кремния, на которую нанесена высокоомная эпитаксиальная пленка с электропроводностью того же типа. На поверхность пленки вакуумным напылением нанесен слой металла.

Диоды Шотки применяют в переключательных схемах, а также в выпрямителях больших токов и в логарифмирующих устройствах, из-за соответствующей вида его ВАХ.

) Варикап - полупроводниковый диод, предназначенный для работы в качестве емкости, величина которой зависит от приложенного к нему напряжения. Основная его характеристика - вольт-фарадная С(U) (таблица 2.1).

Варикап работает как правило при обратном напряжении, при изменении которого изменяется в широких пределах барьерная емкость диода, причем:

, (4.1)

где С(0) - емкость при нулевом напряжении на диоде;  - контактный потенциал; n=2 для резких и n =3 для плавных p-n-переходов.

Основные параметры варикапа:

С - емкость, измеренная между выводами при заданном обратном напряжении;

коэффициент перекрытия по емкости;_П - суммарное активное сопротивление диода;

добротность, определяемая при заданном значении емкости.

) Туннельный диод - полупроводниковый диод с падающим участком на прямой ветви ВАХ, обусловленный туннельным эффектом. Обозначение и ВАХ даны в таблице 2.1. Падающий участок характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В зависимости от функционального назначения туннельные диоды условно подразделяются на усилительные, генераторные и переключательные.

4.2 Основные параметры:

_П и U_П - пиковые ток и напряжение начала падающего участка;_В и U_В - ток и напряжение впадины (конца падающего участка);

отношение тока впадины к пиковому току;_Р - диапазон напряжений падающего участка (раствор)._Д - полная последовательная индуктивность диода при заданных условиях (рис. 4.2, представляющий схему замещения диода на падающем участке ВАХ для малых изменений тока и напряжения на диоде).

Рисунок 4.2 Схема замещения диода

₀ - резонансная частота, при которой общее реактивное сопротивление p-n-перехода и индуктивности корпуса обращается в нуль;_R - предельная резистивная частота, при которой активная составляющая полного сопротивления последовательной цепи, состоящей из p-n-перехода и сопротивлений потерь, обращается в нуль;

К_Ш - шумовая постоянная туннельного диода, определяющая коэффициент шума диода;_П - сопротивление потерь, включающее сопротивление кристалла, контактных соединений и выводов.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод. Это полупроводниковый диод, физические явления в котором подобны физическим явлениям в туннельном диоде. Его рассматривают иногда как вариант туннельного диода. Здесь участок с отрицательным сопротивлением выражен более слабо, чем у туннельного, а иногда даже отсутствует. Обозначение и ВАХ даны в таблице. Обратная ветвь обращенного диода используется как прямая ветвь обычного диода.

Таблица 4.1

5. Исследование специальных типов диодов на лабораторном

5.1 Основные компоненты оборудования

Основными компонентами являются:

- блок генераторов напряжений с наборным полем;

два набора миниблоков;

блок мультиметров;

двухканальный осциллограф, имеющий режим X - Y;

соединительные провода и перемычки, питающие кабели;

настольная рама для установки оборудования с выдвижным ящиком для хранения аксессуаров;

руководство по выполнению базовых экспериментов;

сборник руководств по эксплуатации компонентов аппаратной части комплекта.

Описание каждого эксперимента содержит:

- общие сведения,

экспериментальную часть.

Раздел «Общие сведения» содержит краткое введение в теорию соответствующего эксперимента. Для более глубокого изучения теоретического материала учащемуся следует обратиться к учебникам и компьютерным программам тестирования для проверки усвоения теории и оценки готовности к лабораторно-практическим занятиям.

.2 Оборудование, используемое в лабораторной работе

Всё оборудование располагается на столе. На стол устанавливается специальная рама с подставкой, в которой устанавливаются блок генераторов с наборным полем, блок мультиметров, и блок однофазного источника питания. Расположение блоков в раме жёстко не фиксировано. Оно может изменяться для удобства проведения того или иного конкретного эксперимента. В выдвижном ящике подставки хранятся соединительные провода, перемычки и шнуры питания, методические материалы. Ящик имеют встроенный замок.

Наборы миниблоков располагаются на столе. На стол устанавливается также осциллограф.

Однофазный источник питается от трёхпроводной однофазной сети (фаза, ноль и земля). В нём смонтированы устройство защитного отключения при нарушении изоляции, автомат для защиты от сверхтоков и блок розеток и разъёмов (на тыльной стороне блока) для подключения всех остальных блоков и осциллографа. На рисунке 5.1 представлено рабочее место для проведения лабораторных работ.

Блок генераторов напряжений с наборным полем (код 213.3)

Общий вид блока генераторов напряжений показан на рисунке 5.2. В левой части расположены органы управления источников питания, в правой - гнёзда для подключения исследуемых элементов электрической цепи (миниблоков). В нижней части показан фрагмент электрической цепи, собранной на наборном поле.

Все источники напряжений включаются и выключаются общим выключателем «СЕТЬ» и защищены от внутренних коротких замыканий плавким предохранителем с номинальным током 0,5 А.

На лицевой панели блока указаны номинальные напряжение и ток каждого источника напряжения, а также диапазоны изменения регулируемых выходных величин. Все источники напряжений имеют общую точку «0», не соединённую с заземлённым корпусом блока. Источники защищены от перегрузок и внешних коротких замыканий самовосстанавливающимися предохранителями с номинальным током 0,2 А. О срабатывании предохранителя свидетельствует индикатор «I >».

Источник синусоидальных напряжений содержит трёхфазный регулируемый по амплитуде выходного напряжения преобразователь однофазного напряжения 50 Гц в трёхфазное напряжение (U_ф = 0…8 В). Выходное сопротивление трёхфазного источника в рабочем диапазоне токов близко к нулю.

Генератор напряжений специальной формы вырабатывает на выходе синусоидальный, прямоугольный двухполярный, прямоугольный однополярный или треугольный сигнал в зависимости от положения переключателя «ФОРМА». Выходное сопротивление генератора в рабочем диапазоне токов также близко к нулю. Частота сигнала регулируется десятиоборотным потенциометром «ЧАСТОТА» с цифровой индикацией положения подвижной части и переключателем диапазонов «МНОЖИТЕЛЬ». Имеется три диапазона регулирования частоты:

×1 - от 25…30 до 1020…1025 Гц (индикация в окошке счётчика соответствует частоте в герцах);

×10 - от 250…300 до 10200…10250 Гц (показание счётчика, умноженное на 10, соответствует частоте в герцах);

×100 - от 2500…3000 до 102000…102500 Гц (показание счётчика, умноженное на 100, соответствует частоте в герцах).

Частота выходного напряжения не зависит как от формы и амплитуды сигнала, так и от тока нагрузки.

Амплитуда выходного сигнала регулируется потенциометром «АМПЛ». При положениях переключателя диапазонов ×1 и ×10 амплитуда регулируется от 0 до 12…12,5 В, а при положении ×100 - от 0 до 6…6.5 В.

Генератор постоянных напряжений содержит два источника стабилизированного напряжения +15 В и - 15 В относительно общей точки 0 и регулируемый источник от -13 В до + 13 В. Выходные сопротивления этих источников также близки к нулю. Регулируемый источник допускает режим работы с обратным током (режим потребления энергии).

Наборная панель, расположенная справа от генератора напряжений служит для расположения на ней миниблоков в соответствии со схемой данного опыта.

Гнёзда на этой панели соединены в узлы, как показано на ней линями. Поэтому часть соединений выполняется автоматически при установке миниблоков в гнёзда панели. Остальные соединения выполняются проводами и перемычками. Так на фрагменте цепи, показанной на рисунке 5.2, напряжение от фазы С трёхфазного источника подводится с помощью перемычки к одной из обмоток трансформатора. К другой обмотке подключены резистор и конденсатор, соединённые последовательно. Общая точка «0» источников подсоединена к цепи проводом.

Для измерения токов в ветвях цепи удаляется одна из перемычек и вместо неё в образовавшийся разрыв включается амперметр. Для измерения напряжений на элементах цепи параллельно рассматриваемому элементу включается вольтметр.

Миниблоки представляют собой отдельные элементы электрических цепей (резисторы, конденсаторы, индуктивности диоды, транзисторы и т.п.), помещённые в прозрачные корпуса, имеющие штыри для соединения с гнёздами наборной панели. Некоторые миниблоки содержат несколько элементов, соединённых между собой, или более сложные функциональные блоки. На этикетках миниблоков изображены условные обозначения элементов или упрощённые электрические схемы их соединения, показано расположение выводов и приведены некоторые технические характеристики. Миниблоки хранятся в специальном контейнере.

Для индетификации миниблоков им присвоены коды.

Набор 600.15 состоит только из одноэлементных миниблоков. Он содержит резисторы, конденсаторы и катушки индуктивности.

Набор 600.16 содержит одноэлементные миниблоки с отдельными полупроводниковыми приборами и микросхемами, а также миниблоки с различными полупроводниковыми устройствами. Общий вид контейнера (600.16) с миниблоками представлен на рисунке 5.3

В табл. 5.1 приведены характеристики одноэлементных миниблоков, входящих в оба набора, а ниже дано описание более сложных миниблоков.

Таблица 5.1

. Миниблок «ОЭП13» содержит резистивную оптопару ОЭП13 и токоограничивающий резистор 1 кОм, включённый последовательно со светоизлучающим прибором - лампой накаливания. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений. Выходное темновое сопротивление фоторезистора не менее 1,5×10⁸ Ом, световое при I_вх=16 мА - не более 3×10³ Ом.

Предельные эксплуатационные данные: входной средний ток оптопары 20 мА, выходной ток - 2 мА, напряжение изоляции - 100 В, выходная мощность рассеяния - 25 мВт.

. Миниблок «3ОД101Б» содержит диодную оптопару 3ОД101Б, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Коэффициент передачи по току при I_вх=10 мА составляет 1,5%.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 20 мА, входное обратное напряжение 3,5 В, выходное обратное напряжение 100 В, выходной ток - 2 мА.

. Миниблок «АОТ110А» содержит транзисторную оптопару АОТ110А, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Кроме того, эмиттерный переход зашунтирован сопротивлением 100 кОм.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 30 мА, входное обратное напряжение 0,7 В, коммутируемое напряжение 100 В, выходной ток - 200 мА, напряжение изоляции - 100 В, выходная мощность рассеяния - 360 мВт.

. Миниблок «МОС3010» содержит симисторную оптопару МОС3010, токоограничивющий резистор 1,5 кОм, включённый последовательно со светодиодом и диод КД522, шунтирующий светодиод в обратном направлении. Это позволяет включать миниблок на напряжение до 30 В без добавочных сопротивлений и не опасаться пробоя светодиода при подаче на него обратного напряжения. Остаточное напряжение симистора в открытом состоянии - не более 1,8 В, открывающий входной ток - не более 15 мА.

Предельные эксплуатационные данные: входной постоянный ток оптопары 60 мА, выходной - 100 мА, входное обратное напряжение 3 В, коммутируемое напряжение 250 В, напряжение изоляции - 5300 В, выходная мощность рассеяния - 300 мВт.

. Миниблок «Измерительный преобразователь» (ИП) служит для измерения высокочастотных сигналов, например, при снятии частотных характеристик электрических цепей. Необходимость в этом миниблоке обусловлена тем, что диапазон частот мультиметров, входящих в комплект стенда, составляет от 40 до 400 Гц. В миниблоке смонтирован выпрямитель на быстродействующем операционном усилителе LF357N. На вход миниблока подаётся синусоидальное измеряемое напряжение, а к выходу подключается мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения. Коэффициент передачи выпрямителя подобран так, что величина постоянного выходного напряжения равна действующему значению переменного входного напряжения. При увеличении частоты погрешность измерения возрастает и на частоте 100кГц может достигать 5…10%.

. Миниблок «Трансформатор». Трансформатор выполнен на разъёмном U-образном сердечнике из электротехнической стали с толщиной листа 0,08 мм. Сечение сердечника 16´12 мм. На сердечнике установлены катушки 900 и 300 витков. Номинальные параметры трансформатора при частоте 50 Гц приведены в таблице 5.2. Если между половинками сердечника вставить полоски бумаги (немагнитный зазор), то устройство можно использовать в качестве дросселя.

Таблица 5.2

U_H, B

I_H, мА

R, Ом

S_H, ВА

300

7

200

4,8

1,4

900

21

66,7

37

1,4

7. Миниблок «140УД608» содержит операционный усилитель КР140УД608 или импортный аналог ОР-07С, подстроечный резистор для балансировки и два диода, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания.

Основные характеристики: напряжение питания ±15 В, потребляемый ток <5 мА, входной ток <7 нА, напряжение смещения <150 мкВ, коэффициент усиления >27000, частота единичного усиления >0,3 МГц.

. Миниблок «LM393» содержит сдвоенный компаратор LM393 и диоды, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания. Ввиду большого количества выводов микросхемы, часть их подсоединена к штырям, которыми миниблок вставляется в наборную панель, а другая часть - к гнёздам на крышке миниблока. Выходной каскад компаратора представляет собой транзистор с открытым коллектором.

Основные характеристики: напряжение питания от +2 до +36 В или от ±1 В до ±18 В, входное напряжение от -0,3 до +36 В, потребляемый ток <1 мА (при U_пит = 15 В), входной ток <250 нА, выходной ток - до 20 мА, напряжение смещения <5 мВ, низкий уровень выходного напряжения -400 мВ, коэффициент усиления >50000.

. Миниблок «NE555» содержит таймер NE555 и конденсатор, подключённый между выводом 5 (опорное напряжение) и общей точкой для сглаживания помех, приходящих по цепи питания.

Основные характеристики: напряжение питания от +4,5 до +18 В, потребляемый ток <15 мА (при U_пит = 15 В), входной ток <500нА, выходной ток - до 200 мА, максимальная частота импульсов 0,5 МГц.

10. Миниблок «XR-8038» содержит функциональный генератор XR-8038А, два диода, защищающие микросхему от подачи обратного напряжения питания и резистор 10 кОм, включённый в цепь открытого коллектора выходного транзистора микросхемы для формирования прямоугольных импульсов на выходе.

Общие характеристики: напряжение питания от 10 до 30 В или от ±5 до ±15 В, потребляемый ток 12…20 мА.

Частотные характеристики: Диапазон генерируемых частот от 0,001 Гц до 200 кГц, максимальная частота модуляции 100 кГц, диапазон модуляции 1000:1, линейность в диапазоне модуляции 10:1 составляет 0,2%.

Выходные характеристики: двойная амплитуда выходного напряжения прямоугольной формы (0,9…0,98) U_пит, треугольной формы (0,3…0,33) U_пит, синусоидальной формы (0,2…0,22) U_пит, нелинейные искажения без коррекции формы 0,8…3%, выходное сопротивление 200 Ом.

11. Миниблок «Усилительный каскад с общим эмиттером» (УКОЭ) служит для исследования однокаскадных и двухкаскадных транзисторных усилителей. Его схема изображена на рисунке 5.4. Конденсатор С1 является разделительным, а конденсатор С2 служит для уменьшения верхней границы полосы пропускания.

. Миниблок «Фазовое управление тиристора» (ФУТ) содержит маломощный тиристор ВТ149 и генератор импульсов. Генератор импульсов выполнен на однопереходном транзисторе VT1. При подаче полуволны напряжения на анод запертого тиристора конденсатор C1 заряжается через сопротивления R₁, и R₃. Когда напряжение на конденсаторе достигает значения 0,7…0,8 от напряжения стабилизации стабилитрона (т.е. на верхнем выводе базы КТ317Г), транзистор открывается и конденсатор разряжается по цепи эмиттер - база - управляющий электрод - катод тиристора. Тиристор отпирается, создает цепь для протекания тока через нагрузку и одновременно шунтирует генератор импульсов. Скорость заряда конденсатора и, следовательно, задержка подачи отпирающего импульса по отношению к моменту подачи положительного напряжения на анод тиристора регулируется потенциометром R₃. Вывод Х2 служит только для наблюдения импульсов управления с помощью осциллографа.

. Миниблок «ADP1111» содержит импульсный стабилизатор напряжения ADP1111 с встроенным ключевым транзистором, шунтирующий диод Шотки для защиты микросхемы от подачи входного напряжения обратной полярности, электролитический конденсатор 10 мкФ, сглаживающий входное напряжение и резистор 100 Ом, включённый между выводами 1 и 2 микросхемы для ограничения амплитуды импульсов выходного тока.

Основные характеристики микросхемы: напряжение питания от 2 до 5 В в обратноходовой схеме преобразования (с повышением напряжения) и не более 30 В в прямоходовой схеме (с понижением напряжения), выходное напряжение 4,75…5,25 В, максимальный ток ключа 1,5 А, максимальная рассеиваемая мощность 500 мВт, частота преобразования 54…88 кГц, скважность 43…65%.

Блок мультиметров (код 509.2)

Блок мультметров предназначен для измерения напряжений, токов, сопротивлений, а также для проверки диодов и транзисторов. В нём установлены 2 серийно выпускаемых мультиметра MY60, MY62 или MY64. Подробная техническая информация о них и правила применения приводится в руководстве по эксплуатации изготовителя. В блоке установлен источник питания мультиметров от сети с выключателем и предохранителем на 1 А. На лицевую панель блока вынесены также четыре предохранителей защиты токовых цепей мультиметров.

Для обеспечения надёжной длительной работы мультиметров соблюдайте следующие правила:

Не превышать допустимых перегрузочных значений, указанных в заводской инструкции для каждого рода работы.

Когда порядок измеряемой величины неизвестен, устанавливать переключатель пределов измерения на наибольшую величину.

Перед тем, как повернуть переключатель для смены рода работы (не для изменения предела измерения!), отключать щупы от проверяемой цепи.

Не следует измерять сопротивление в цепи, к которой подведено напряжение.

Не следует так же измерять ёмкость конденсаторов, не убедившись, что они разряжены.

До подключения мультиметра к цепи необходимо выполнить следующие операции: выбрать род измеряемой величины: - V, ~ V, - A, ~ A или W; выбрать диапазон измерений соответственно ожидаемому результату измерений; правильно подсоединить зажимы мультиметра к исследуемой цепи.

5.2 Экспериментальная часть

Задание

Проверить работоспособность блока генераторов напряжений и измерительных приборов.

Порядок выполнения эксперимента

Необходимо собрать цепь согласно схеме рисунок 5.8, включив в нее для начала резистор R = 100Ом. Подать на вход питание от нерегулируемого источника постоянного напряжения +15 В, отрегулировать осциллограф и убедиться, что пульсации напряжения незначительны или отсутствуют, что напряжение равно 15±0,5 В, а ток примерно равен 150 мА.

Переключить мультиметр для измерения тока 2 А, заменить резистор 100 Ом на 47 или 33 Ом, при этом убедившись, что появляются пульсации напряжения на выходе и через некоторое время срабатывает защита и включается сигнализация перегрузки.

Повторить этот опыт с другим нерегулируемым источником напряжения -15 В и с регулируемым источником при максимальном напряжении на его выходе. Проверить, как работает регулятор напряжения источника

Установить в схему резистор 47 Ом, переключить мультиметры для измерения синусоидальных сигналов и подключите к схеме генератор напряжений специальной формы.

Установить синусоидальный сигнал на выходе и убедитсь, что частота и амплитуда напряжения регулируются (по осциллографу). На частоте 1000 Гц (или какой нибудь другой) убедититься, что переключается форма сигнала. Внимание! Мультиметры не предназначены для измерения несинусоидальных токов и напряжений!

Заменить резистор 47 Ом на 22 Ом и убедитесь, что срабатывает защита и сигнализация перегрузки.

Снова включить в схему резистор 100 Ом, и, подключая к ней напряжения U_AO, U_BO, U_CO, U_AB, U_BC и U_CA трёхфазного источника, убедившись что фазные напряжения регулируются в пределах от 0 до 8 В, а линейные в √3 раз больше. Замените резистор 100 Ом на 22 Ом и проверить работу защиты каждой фазы.

Полупроводниковые приборы

5.3 Исследование характеристик полупроводниковых диодов на постоянном и переменном токах

Общие сведения

Двухэлектродный полупроводниковый элемент -- диод содержит n-p - структуру (рисунок 5.9). В n-проводящем слое в качестве свободных носителей заряда преобладают электроны, а в p-проводящем слое -- дырки. В результате диффузии электронов из n-области в р-область и, наоборот, дырок из р-области в n-область на границе создаётся потенциальный барьер.

При прямом приложенном напряжении («+» к слою p, «-» к слою n) потенциальный барьер уменьшается, и диод начинает проводить ток (диод открыт). При обратном напряжении потенциальный барьер увеличивается (диод заперт).

Прямой ток через р-n переход определяется носителями заряда, неосновными для того слоя, куда они проникают. В процессе движения они сталкиваются с основными носителями данного слоя и рекомбинируют. С увеличением прямого тока падение напряжения на диоде несколько возрастает. При рекомбинации может выделятся энергия в виде излучения. Это явление используется в светодиодах.

В обратном направлении через диод протекает только небольшой ток утечки, обусловленный неосновными носителями. С увеличением обратного напряжения выше предельно допустимого для данного типа диода наступает пробой р-n перехода. В диодах различных типов он протекает по разному: в обычных выпрямительных диодах - это необратимое разрушение р-n перехода в результате его перегрева, в лавинных - происходит лавинное размножение неосновных носителей, что приводит к резкому уменьшению обратного напряжения на нём и уменьшению нагрева, в стабилитронах - при увеличении обратного тока имеется достаточно протяжённый участок вольт-амперной характеристики, на котором напряжение мало зависит от тока (зенеровский пробой).

Основные статические параметры диодов, такие как пороговое напряжение U₀, прямое падение напряжение U_пр, дифференциальное сопротивление R_д, обратный ток I_обр, напряжение стабилизации стабилитрона U_ст, можно определить по вольтамперной характеристике, снятой на постоянном или медленно изменяющемся токе.