Badanie Sterowanych elementów półprzewodnikowych.

Grzegorz Zawada.

Cel ćwiczenia, Wprowadzenie

Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości sterowanych elementów półprzewodnikowych wykorzystujących struktury PNPN, zwłaszcza tyrystorów . Zadaniem ćwiczenia jest także poznanie podstawowych badan tych elementów, jak również sposobów ich sterowania.

Wprowadzenie .

Sterowane elementy polprzewodnikowe stanowia grupę elementow, których wspolna cecha jest dwustawnosc charakterystyki prądowo-napieciowej tzn elementy te mogą znajdowac się w stanie zaporowym lub w stanie przewodzenia. Przejscie z jednego stanu do drugiego zachodzi skokowy. Najczesciej stosowanymi elementami tego rodzaju sa tyrystory. Rysunek a) przedstawia symbol graficzny tyrystora, natomiast na rys b) jego charakterystykę prądowo-napięciową tyrystora jest taka sama jak zwykłej diody krzemowej.

Przy polaryzacji w kierunku przewodzenia możńa natomiast wyróznic na niej trzy odcinki (rys b) 1- Odcinek od punktu 0 do B – odpowiada stanowi identycznemu z polaryzacją wsteczna. Stan ten nazywa się stanem blokowania.2- Odci ek B-H. W punkcie B nastepuje przeciagniecie charakterystyki, która przechodzi w odcinek o ujemnej rezystancji dynamicznej. Napiecie U (bo) od którego poczawszy nastepuje wzrost prądu i zmniejszenie napięcia na tyrystorze, nazywa się napięciem przylączenia, a odpowiadajacy mu prąd I (bo) – prądem przełączenia natomiast prąd Ihs nazywa się prądem załąćzenia.3- Odcinek H-A. Powyzej punktu H charakterystyka tyrystora ma taki sam kształ jak charakterystyka zwylkej diody krzemowej w zakresie przewodzenia.

Załączenie tyrystora, czyli przejscie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia , jest zwykle wywolane doprowadzeniem do bramki dodatniego impulsu. Z tego względu jedną z najistotniejszych charakterystyk tyrystora jest charakterystyka napieciow-pradowa obwodu bramki Ufg = f(Ifg) nazywana tez charakterystyka przelaczenia pradem bramki.

1- Obszar nieprzelacznia tyrystorow, czyli obszar zawierajacy takie wartosci napiec i pradow bramkowych które nie spowoduja przelaczenia zadnego egzemplarza tyrystora danego typu. Napiecie ograniczajace ten obszar Ugd nazywa się napieciem nieprzelaczajacym bramki, a prad Igd – pradem nieprzelaczajacym bramki. 2- Obszar możliwych przelaczen tyrystorow w którym można uzyskac przelaczenie wybranych egzemplarzy tyrystorow okreslonego typu. Obszar ten jest ograniczony napieciem przelaczajacym bramki Ugt i pradem przelączajacym bramki Igt.3- Obszar pewnych przelaczen tyrystorow który wyznacza wartosci napiec i pradow bramkowych gwarantujacych przelaczenie ze stanu blokowania do stanu przewodzenia wszystkich egzemplarzy tyrystorow danego typu.

Proces odwrotny – wylacznie tyrystora, czyli przejscie ze stanu przewodzenia w stan blokowania lub zaworowy, w zakresie normalnie wystepujacych pradow przewodzenia odbywa się przez zmiane kierunku napiecia anoda – katoda. A) Symbol graficzny tyrystora wylaczalnego ; B) tyrystora dwubramkowego

Niektóre odmiany struktur PNPN mogą być wylaczane ujemym impulsem pradu bramki. Elementy specjalnie zaprojektowane do wylaczenia bramkowego tzw. Tyrystory wylaczalne znane sa pod roznymmi nazwami handlowymi, takimi jak GTO, SCS, GCS. Ich symbol graficzny pokazano na rys A) Czasem w takim tyrystorze od strony anody wystepuje również elektroda sterujaca. Dziala ona podobnie jak bramka i w celu zalaczenia tyrystora należy doprowadzic do niej napiecie ujemne względem anody a przy wylaczeniu napiecie dodatnie . Symbol takiego ele. Przedstawiono na rys B) .

Spotyka się również elementy o charakterystyce pradowo-napieciowej zblizonej do charakterystki tyrystora, nie majace wyprowadzonej bramki. Elementy te sa nazywane diodami czterowarstwowymi. Przelaczanie diody czterowarstwowej odbywa się przede wszystkim przez zmiane napiecia anoda katoda.

Rys przedstawia Diode spustowo symetryczna –diak a) symbol graficzny b) charakterystyka pradowo napieciowa.Podstawowa wada tyrystorow jaka jest mozliwosc przewodzenia pradu tylko w jedym kierunku zostala wyeliminowana w tzw. Tyrystorach symetrycznych – triakach.Triaki można właczyc zarówno przy dodatnim jak i ujemnym napieciu anoda katoda. Najczesciej spotyka się triaki które sa przelaczane w stan przwodzenia w jednym kierunku pradem o polaryzacji dodatniej a w drugim kierunku pradem o polaryzacji ujemnej.

TyrystorTyrystory sa stosowane najczesciej w oudowach w których plyna duze prady i wystepuja dosc znaczne

napiecia. Przy tego typu zastosowaniach, oprocz parametrow charakteryzujacych właściwości tyrystora podczas normalnej pracy w ukladzie szczegolne znaczenie maja wartosci graniczne pradow napiec i mocy których nie można przekraczac podczas eksploatacji np.- powtarzalne szczytowe napiecie w stanie blokowania Udrm czyli dopiszczalna wartosc szczytowa napiecia blokowania.Powtarzalne szczytowe napiecie wsteczne Urrm , czyli dopuszczalna wartosc szczytowa napiecia wstecznego-sredni prad przewodzenia It(av) okreslajacy dopuszczalna skladowa stala pradu anodowego.Powtarzalny szczytowy prad przewodzenia Itrm czyli dopuszczalna szczytowa wartosc pradu przewodzenia.

Badania / PomiaryWyznaczanie charakterystyki pradowo – napieciowej .

Najczesciej charakterystyke pradowo – napieciowa tyrystora wyznacza się niezaleznie dla trzech jego stanow pracy: stanu blokowania, stanu zaworowego i stanu przewodzenia.Doswiadczenie można wykonac zarówno przy pradzie stalym jak i zmiennym . Schemat ukladu do pomiaru charakterystyki pradowo-napieciowej przdstawiam na rysunku ponizej.. Uklad jest zasilany z sieci pradu zmiennego 230v 50hz Napiecie można regulowac autotransformatorem . Diody prostownicze d1,d2,d3,d4 sluza do prostowania polfal tego napiecia. W polozeniu 1 przelacznikowp1 i p2 wyznacza się charakterystyki blokowania i przewodzeniaw polozeniu 2 charakterystyke wsteczna a w polozeniu 3 można obserwowac cala ch-ke pradowo – napieciowa.

Pomiar pradu podtrzymaniaPomiar pradu podtrzymania Ih przeprowadza się w ukladzie przedstawionym na rys unku. Napiecie anoda-katoda Uak tyrystora jest doprowadzene z zasilacza stabilizowanego Z1, a napiecie bramka katoda Ugk z zasilacza stabilizowanego Z2. Do pomiaru pradu plynacego przez tyrystor sluzy miliamperomierz mA1; do pomieru pradu bramki – miliamperomierz mA2.

Poczatkowo tyrystor należy wprowadzic w stan przewodzenia. W tym celu po zasileniu obwodu anodowego tyrystora należy zamknac wylacznik w i do bramki w i do bramki doprowadzic napiecie o takiej wartosci aby prad plynacy w obwodzie bramki był wiekszy od pradu przelaczajacego IgtNastepnie należy obwod bramki rozewrzec stopniowo zmiejszac wartosc pradu anodowego do chwili gdy tyrystor przejdzie ze stanu przewodzenia w stan blokowania.

Pomiar pradu przelaczajacego bramki Igt i napiecia przelaczajacego bramki Ugt.Pomiar przeprowadza się w ukłądzie zblizonym do ukladu w którym wyznaczono prad podtrzymania. Jest on przedstawiony na rys 7,8 do pomiarow napiec można zastosowac woltomierze v1 i v2. Pomiar dokonuje się przy okreslonym napieciu anoda-katoda, okreslanym przez producenta tyrystorow. Po zamknieciu wylacznika w i nastawieniu wymaganej wartosci napiecia anoda katoda w sposób plynny zwieksza się napiecie bramki do chwili gdy napiecie miedzy anoda i katoda obnizy się gwaltownie.