ΤΕΙ ΔΥΤΙΗΣ ΕΛΛΔΣ ΤΜΗΜ ΗΛΕΤΡΟΛΟΓΩ ΜΗΧΙΩ Τ.Ε. ΗΛΕΤΡΟΙ Ι (ΕΡ) Άσκηση 8 Θυρίστορ Στόχος Ο στόχος της εργαστηριακής άσκησης είναι η κατανόηση της λειτουργία του θυρίστορ SCR. Μελετώνται οι ιδιότητες του SCR και ο τρόπος λειτουργίας του ως διακόπτης, με μετάβαση από την κατάσταση αγωγιμότητας στην κατάσταση αποκοπής. Η εργαστηριακή άσκηση περιλαμβάνει μια εφαρμογή με SCR και έλεγχο φορτίου με ηλεκτρικό λαμπτήρα. Εισαγωγή 1) Θυρίστορ Τα θυρίστορ είναι ηλεκτρονικά εξαρτήματα από ημιαγωγά υλικά. Το όνομά τους βγαίνει από την λέξη θύρα. ατασκευάζονται από ημιαγωγούς Ρ και σε διαδοχικές στρώσεις και μπορεί να έχουν δύο ή περισσότερους ακροδέκτες. Λειτουργούν σαν διακόπτες μεγάλων ρευμάτων και εμφανίζουν δύο καταστάσεις, αγωγιμότητας ή αποκοπής. Η αντίσταση κατά την αγωγιμότητά τους είναι της τάξης του Ω, ενώ κατά την αποκοπή τους είναι της τάξης του MΩ. Τα θυρίστορ αντικατέστησαν τους μηχανικούς διακόπτες επαφής για τους παρακάτω λόγους: α) Δεν έχουν κινητά μέρη β) Δεν δημιουργούνται ηλεκτρικά τόξα γ) Δεν έχουν κακές επαφές από διάβρωση, σκόνη, κλπ. Με τα θυρίστορ μπορεί να γίνει έλεγχος ισχύος, να μεταβληθεί δηλαδή το ρεύμα ενός φορτίου. Υπάρχουν πολύ μικρά θυρίστορ τα οποία μπορούν να ελέγχουν την ισχύ πολλών KW. Οι εφαρμογές τους εκτείνονται στον έλεγχο ταχύτητας κινητήρων, εγκαταστάσεις ελέγχου φωτισμού, ηλεκτροσυγκολλήσεις, κλπ. Τα θυρίστορ παρέχουν ακριβή έλεγχο, μεγάλης ισχύος, με μικρό κόστος και μεγάλο βαθμό απόδοσης. Παλαιότερα ο έλεγχος αυτός γινόταν με μετασχηματιστές και ροοστάτες με μεγάλη κατανάλωση ισχύος και πολλά μηχανικά προβλήματα. Στην οικογένεια των θυρίστορ ανήκουν πολλά ηλεκτρονικά στοιχεία, για ειδικές εφαρμογές με διάφορα ονόματα, όπως TRIAC, DIAC, ενώ σαν θυρίστορ αναφέρονται μόνο SCR. 2) Δίοδος Shockley Η δίοδος Shockely αποτελεί τη βάση των θυρίστορ. Το σύμβολό της φαίνεται στο Σχήμα 1α και έχει δύο ακροδέκτες, την άνοδο και την κάθοδο. Είναι κατασκευασμένη από τέσσερις στρώσεις ημιαγωγού PNPN, οπότε δημιουργούνται τρεις επαφές PN, όπως φαίνεται 1
στο Σχήμα 1β. Θα μπορούσε έτσι, να δοθεί το ισοδύναμο κύκλωμα με διόδους, όπως απεικονίζεται στο Σχήμα 1γ. Πρέπει να σημειωθεί ωστόσο, ότι δεν είναι δυνατό να πάρουμε τη λειτουργία της διόδου Shockley, απλά συνδέοντας τρεις διακριτές διόδους στη σειρά όπως φαίνεται στο Σχήμα 1γ, καθώς είναι σημαντικός ο τρόπος επίταξης των διαφόρων στρωμάτων ημιαγωγών στο εσωτερικό της κατά την κατασκευή. Για την κατανόηση της λειτουργίας της διόδου παρατηρούμε τη χαρακτηριστική της καμπύλη του Σχήματος 2. Όταν η δίοδος πολωθεί ορθά, τότε οι επαφές 1 και 3 πολώνονται ορθά, αλλά η επαφή 2 πολώνεται ανάστροφα, παρουσιάζοντας μεγάλη αντίσταση. Έτσι, υπάρχει ένα πολύ μικρό ρεύμα ανόδου I A. ν η τάση αυξηθεί αρκετά ώστε να ξεπεράσει την τάση κατάρρευσης της Zener (επαφής 2), αυξάνεται η συνολική αγωγιμότητα της διόδου, έχοντας εσωτερική αντίσταση μόλις μερικά Ω και η τάση νόδου-αθόδου V AK γίνεται πολύ μικρή, περίπου ίση με V H. Η τάση V AK, για την οποία επέρχεται η μεγάλη αύξηση της αγωγιμότητας, λέγεται τάση εκκίνησης V BO (Break-Over Voltage), ενώ η τάση V H λέγεται τάση συγκράτησης. Τυπικές τιμές της V BO είναι από λίγα volts έως μερικές εκατοντάδες volts, ενώ για της V H είναι από 0.5 έως 20 volts. Το ρεύμα I A μετά την εκκίνηση μπορεί να πάρει πολύ μεγάλες τιμές και να την καταστρέψει και για το λόγο αυτό χρειάζεται μια προστατευτική αντίσταση σε σειρά για κατάλληλο περιορισμό του ρεύματος. Ρ Ρ 1 2 3 (α) (β) (γ) Σχήμα 1: SCR α) σύμβολο, β) δομή γ) ισοδύναμο με διόδους I A κατάσταση αγωγής κατάσταση διακοπής περιοχή αρνητικής αντίστασης ανάστροφη κατάρρευση I H V H V ΒΟ V AK Σχήμα 2: Χαρακτηριστική καμπύλη SCR 2
Για να σταματήσει η αγωγιμότητα της διόδου, πρέπει η τάση V AK να γίνει μικρότερη από την τάση συγκράτησης V Η (holding voltage) ή το ρεύμα ανόδου I A να πέσει κάτω από την τιμή I Η (holding current). ν η πόλωση αντιστραφεί, τότε θα υπάρχει η συμπεριφορά μιας ανάστροφα πολωμένης διόδου, δηλαδή στην αρχή θα υπάρχει ένα μικρό ρεύμα, έως ότου συμβεί διάσπαση Zener. Σε αυτήν την περίπτωση οι ανάστροφα πολωμένες επαφές είναι οι 1 και 3. Η περιοχή ανάστροφης πόλωσης δεν έχει πρακτική αξία. Στη χαρακτηριστική της διόδου παρατηρείται μια περιοχή αρνητικής αντίστασης, μεταξύ της τάσης V BO και V H. Η αρνητική αντίσταση είναι το αποτέλεσμα μια αύξησης ρεύματος με μείωση της τάσης. υτό συμβαίνει καθώς έως και την τάση V BO η αντίσταση είναι μεγάλη, ενώ αμέσως μετά και έως την μετάβαση της τάσης στην τιμή V H η αντίσταση πέφτει σε πολύ χαμηλή τιμή. Σε πολλές εφαρμογές χρησιμοποιείται αυτό το τμήμα της χαρακτηριστικής διότι τότε η δίοδος παρουσιάζει ασταθή συμπεριφορά και μπορεί να δώσει τάσεις παλμικής μορφής. Για να κατανοηθεί καλύτερα η λειτουργία της διόδου Schokley, αυτή μπορεί αντιστοιχηθεί με το ισοδύναμο κύκλωμα με δύο τρανζίστορ, ηλεκτρικά συνδεδεμένων μεταξύ τους, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3. ν τα στρώματα ημιαγωγού χωριστούν σε δύο τμήματα, τότε σχηματίζονται δύο τρανζίστορ, Q1 και Q2, όπου το Q1 είναι τύπου ΡΡ και το Q2 είναι τύπου Ρ. Ο συλλέκτης του κάθε τρανζίστορ συνδέεται με τη βάση του άλλου και η διάταξη αυτή είναι χαρακτηριστική ενός ηλεκτρονικού κυκλώματος μανδαλωτή (Latch), που κλειδώνει είτε σε κατάσταση αγωγιμότητας είτε σε κατάσταση αποκοπής. Όταν η τάση V AK είναι μικρή τότε και τα δύο τρανζίστορ είναι σε αποκοπή καθώς και τα δύο ρεύματα βάσης είναι μηδενικά και δεν μπορούν να φύγουν από αυτή την κατάσταση με κάποιον τρόπο. Όταν η τάση V AK γίνει μεγάλη (> V BO) αρχίζει η διάσπαση και των επαφών και τα ρεύματα των συλλεκτών των δύο τρανζίστορ αυξάνουν σημαντικά, τα οποία με τη σειρά τους πολώνουν τις βάσεις των δύο τρανζίστορ. Πλέον τα δύο τρανζίστορ αυτοπολώνονται και μέσω ανατροφοδότησης τα ρεύματα του ενός συντηρούν την πόλωση του άλλου. Τα δύο τρανζίστορ συνεχίζουν να βρίσκονται σε κατάσταση αγωγιμότητας, λειτουργώντας στον κόρο, αν και η τάση V AK βρίσκεται πλέον σε αρκετά χαμηλή τιμή και ίση με V AK = V ΒΕ + V CE (1) όπου V BE η τάση βάσης-εκπομπού και V CE η τάση συλλέκτη-εκπομπού. αθώς η V BE είναι περίπου ίση με 0.65 V και η V CE περίπου ίση με 0.2 V, η τάση V AK αναμένεται να παίρνει τιμές μεταξύ 0.8 και 0.85 V. Για να σταματήσει η δίοδος να άγει πρέπει η τάση V AK ή το ρεύμα I A να γίνουν πολύ μικρά, τόσο ώστε να μην μπορεί να συντηρηθεί η αυτοπόλωση. ποδεικνύεται ότι, (2) όπου I CO είναι το ανάστροφο ρεύμα κόρου των συλλεκτών και α η απολαβή ρεύματος κοινής βάσης των τρανζίστορ. 3
Q1 E B Ρ C Ι C2 Q1 PNP C Ρ Ρ B Ι C1 C Q2 E NPN Q2 (α) (β) Σχήμα 3: Δομή ισοδύναμου κυκλώματος μιας διόδου Schokley με δύο τρανζίστορ Όταν η δίοδος βρίσκεται σε αγωγιμότητα, ενώ όταν η δίοδος βρίσκεται σε αποκοπή. Το πυρίτιο (Si) έχει την ιδιότητα να έχει μεταβλητό α και σε μικρά ρεύματα, ενώ σε μεγαλύτερα ρεύματα το α γίνεται μεγαλύτερο. Άρα μπορεί να ικανοποιήσει τη συνθήκη ώστε μερικές φορές και άλλες. Για το λόγο αυτό τα θυρίστορ είναι κατασκευασμένα από Si. 3) Ελεγχόμενος ανορθωτής πυριτίου SCR (Silicon Controlled Rectifier) To SCR είναι ακριβώς ίδιο με μία δίοδο Shockely, αλλά έχει ακόμη έναν ακροδέκτη, που ονομάζεται πύλη G (Gate). Το σύμβολό του φαίνεται στο Σχήμα 4α, η δομή του στο Σχήμα 4β και το ισοδύναμο κύκλωμα με δύο τρανζίστορ στο Σχήμα 4γ. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 4β, ο ακροδέκτης G συνδέεται στο 3 στρώμα ημιαγωγού Ρ. Υπάρχει περίπτωση ο ακροδέκτης G να συνδέεται στο 2 στρώμα ημιαγωγού και σε αυτή την περίπτωση λέμε ότι έχουμε πύλη από την άνοδο ή συμπληρωματικό (complementary) SCR, CSCR. Ρ Q1 G G Ρ G Ι C1 Ι C2 C Q2 (α) (β) (γ) Σχήμα 4: SCR α) σύμβολο, β) δομή, γ) ισοδύναμο με δύο τρανζίστορ Όπως φαίνεται στο Σχήμα 5, η χαρακτηριστική του SCR είναι παρόμοια με αυτή της διόδου Shockley, με τη διαφορά, ότι θέτοντας κατάλληλη διέγερση στην πύλη, ρυθμίζουμε την τάση εκκίνησης V BO. Μάλιστα όσο μεγαλύτερο είναι το ρεύμα πύλης I G τόσο μικρότερη είναι η V BO. ν το ρεύμα Ι G είναι μηδενικό τότε η χαρακτηριστική μοιάζει με αυτή της διόδου Shockley. ν το ρεύμα Ι G είναι πολύ μεγάλο τότε η χαρακτηριστική μοιάζει με αυτή μιας απλής διόδου. Σε όλες τις ενδιάμεσες περιπτώσεις η V BO παίρνει ενδιάμεσες τιμές. πό τη 4
στιγμή που το SCR αρχίζει να άγει, η χαρακτηριστική είναι σχεδόν κατακόρυφη και η τάση είναι σχεδόν σταθερή και ίση με V H. Η εξίσωση (1) ισχύει και σε αυτήν την περίπτωση. Για να διακοπεί η λειτουργία του SCR πρέπει το ρεύμα I ή η τάση V AK να γίνουν μικρότερα από I H ή V H, αντίστοιχα. Η πύλη δεν έχει κάποια επίδραση από τη στιγμή που το SCR αρχίζει να άγει. Υπάρχει τρόπος να διακοπεί η λειτουργία του SCR στέλνοντας ένα αντίθετο ρεύμα στην πύλη, η μέθοδος όμως αυτή σπάνια χρησιμοποιείται. ατά την ανάστροφη πόλωση το SCR συμπεριφέρεται ως απλή δίοδος, δηλαδή με μικρό ρεύμα στην αρχή και μεγάλο ρεύμα μετά την κατάρρευση Zener. Η δυνατότητα που δίνει η πύλη να φέρνει το SCR από την κατάσταση αποκοπής στην κατάσταση αγωγιμότητας, χωρίς να απαιτείται η αύξηση της V AK, είναι πολύ σημαντική, καθώς επιτρέπει το εξάρτημα αυτό να λειτουργεί ως διακόπτης, ελεγχόμενος από την πύλη. Η διέγερση της πύλης με ένα θετικό παλμό κατάλληλης διάρκειας και κατάλληλων τιμών πλάτους ρεύματος (I G) και τάσης (V G) φέρνει το τρανζίστορ Q2 σε αγωγιμότητα, μέσω του ρεύματος βάσης. Το ρεύμα συλλέκτη του Q2, με τη σειρά του, προσφέρει κατάλληλο ρεύμα βάσης ώστε να έρθει το Q1 σε αγωγιμότητα,. Έτσι το ρεύμα συλλέκτη του ενός τρανζίστορ τροφοδοτεί το ρεύμα βάσης του άλλου και μέσω θετικής ανατροφοδότησης, τα δύο τρανζίστορ παραμένουν σε αγωγιμότητα και μάλιστα σε κόρο. Έτσι, η πύλη μπορεί πλέον να απενεργοποιηθεί. Η τάση V AK κατά την αγωγιμότητα μειώνεται γιατί η τάση V CEQ1 είναι σε κόρο και η τάση V ΒEQ2 είναι περίπου 0.65 V. Η τελική τιμή της V AK γίνεται ίση με V H. I A I G3 I G2 I G1 I H V R V H V ΒΟ2 V ΒΟ3 V ΒΟ1 V AK Σχήμα 1: Χαρακτηριστική SCR 5
6
ΤΕΙ ΔΥΤΙΗΣ ΕΛΛΔΣ ΤΜΗΜ ΗΛΕΤΡΟΛΟΓΩ ΜΗΧΙΩ Τ.Ε. ΗΛΕΤΡΟΙ Ι (ΕΡ) Άσκηση 8 Θυρίστορ SCR ΕΠΩΥΜΟ ΟΟΜ.Μ. ΤΜΗΜ ΗΜ/Ι ΔΙΕΞΓΩΓΗΣ:.... /..../ 20.. ΗΜ/Ι ΠΡΔΟΣΗΣ:.... /..../ 20.. 7
Πρακτική Άσκηση ντικείμενο της άσκησης αυτής είναι η μελέτη του ελεγχόμενου ανορθωτή πυριτίου SCR. Θα τροφοδοτηθεί ένα SCR με τάσεις dc και θα γίνει μελέτη του ως διακόπτης. Για την διεξαγωγή της άσκησης χρειάζονται δύο τροφοδοτικά dc, ένα +15V dc και ένα σταθερής εξόδου στα +12V dc, καθώς και τρία πολύμετρα. 1) Σύνδεση του κυκλώματος Συνδέστε το κύκλωμα όπως στο παρακάτω σχήμα προσέχοντας τις πολικότητες των πηγών. Θέστε 12 V στο ρυθμιζόμενο τροφοδοτικό της εξόδου. Βραχυκυκλώστε τα σημεία B και G και συνδέστε τη λάμπα. Η αντίσταση προστασίας έχει τιμή 22 Ω. 22 Ω I A A + 15 V R 1 10 KΩ λάμπα + I G 12 V - V B G 470 Ω 0 Σχήμα 1. Σύνδεση κυκλώματος JFET 2) Λήψη μετρήσεων α) Ρυθμίστε το ποτενσιόμετρο R1 στην ελάχιστη τιμή. Γυρίστε το R1 αργά, έως ότου η λάμπα να ανάψει. Εκείνη τη στιγμή μετρήστε και σημειώστε το ρεύμα σκανδαλισμού I GΤ. υτό είναι το ρεύμα σκανδαλισμού που αντιστοιχεί σε τάση V AK = 12 V. ν η τάση V AK ήταν διαφορετική τότε και το ρεύμα σκανδαλισμού θα είχε άλλη τιμή. β) Παρατηρείστε ότι κατά τη μετάβαση του SCR σε αγωγιμότητα το I A αυξάνεται απότομα και η V AK μειώνεται σημαντικά. Σημειώστε το ρεύμα ανόδου I A και την τάση ανόδου καθόδου V AK κανονικής λειτουργίας του SCR στον Πίνακα 1. γ) Διακόψτε το βραχυκύκλωμα μεταξύ των σημείων B και G και παρατηρείτε ότι το SCR συνεχίζει να βρίσκεται σε αγωγιμότητα. δ) Μειώστε σταδιακά την τάση του τροφοδοτικού από τα 12 V έως ότου το SCR να σταματήσει να άγει. Παρατηρείστε το Ι ακριβώς πριν μηδενιστεί. υτή είναι η τιμή για το I H. Σημειώστε το I H στον Πίνακα 1. Για να έρθει το SCR σε αγωγιμότητα ξανά, πρέπει η διαδικασία να επαναληφθεί από την αρχή. 8
Επαναλάβετε το βήμα 2 από την αρχή πολλές φορές, ώστε να βεβαιωθείτε ότι οι τιμές που βρήκατε είναι οι σωστές. Πίνακας 1 Ρεύμα σκανδαλισμού I GT (ma) Ρεύμα ανόδου κανονικής λειτουργία Ι (ma) Τάση ανόδου καθόδου κανονικής λειτουργία V K (V) Ρεύμα συγκράτησης Ι Η (ma) 4) Ερωτήσεις α) Ποια είναι η τιμή της V AK όταν ανάψει η λάμπα; V = Είναι η τιμή αυτή μεγαλύτερη από 0.6 V; Γιατί; (α το εξηγήσετε με το ισοδύναμο του SCR με τα δύο τρανζίστορ) β) Όταν έχει ανάψει η λάμπα, αποσυνδέσατε το βραχυκύκλωμα από τα σημεία B και G. Η λάμπα έσβησε; Γιατί; γ) α υπολογίσετε τα παρακάτω, όταν η λάμπα είναι κανονικά αναμμένη: i) Την ισχύ που καταναλώνει το SCR όταν η λάμπα είναι κανονικά αναμμένη. 9
ii) Την αντίσταση της λάμπας (όταν είναι κανονικά αναμμένη). iii) Την ισχύ που καταναλώνεται στη λάμπα όταν είναι κανονικά αναμμένη. iv) Το βαθμό απόδοσης του SCR (ισχύς που καταναλώνεται στο φορτίο (προστατευτική αντίσταση 22Ω και λάμπα), προς την ολική ισχύ που δίνει η τροφοδοσία). 10