ثاينستور المعدل
المصدر: علي بزي ، قسم الهندسة الكهربائية ، جامعة كونيتيكت ، ستورز ، كونيتيكت
على غرار الثنائيات ، تمرر الثايرستور ، وتسمى أيضا المقومات التي يتم التحك…
انتباه: خلال هذه التجربة ، لا تلمس أي جزء من الدائرة أثناء التنشيط. لا تقم بتأريض VARIAC.
في هذه التجربة ، يتم استخدام المحول المتغير (VARIAC) عند تردد منخفض يبلغ 60 هرتز وذروة 35 فولت كمصدر رئيسي للتيار المتردد.
1. الإعداد
- قبل البدء ، قم بتوصيل المسبار التفاضلي بقناة نطاق واحدة.
- اضبط الزر الموجود على المسبار التفاضلي على توهين 1/20 (أو 20X).
- في قائمة قناة النطاق ، اضبط المسبار ليكون على 10X ما لم يكن 20X متاحا للمسبار التفاضلي. إذا تم اختيار 10X ، فاضرب يدويا أي قياسات أو نتائج في اثنين للوصول إلى 20X المطلوب.
- لإعداد VARIAC ، تأكد من أن إخراج VARIAC (يشبه الوعاء العادي) غير متصل بأي كابل.
- احتفظ ب VARIAC OFF وتأكد من ضبط مقبضه على الصفر.
- اضبط مقبض VARIAC ببطء على حوالي 15٪ من الإخراج.
- قبل توصيل المسبار التفاضلي بالدائرة ، اربط أطراف المسبار معا واضبط شكل الموجة المقاس على الشاشة لإظهار جهد الإزاحة الصفر.
- قم بتوصيل كابل الإخراج ب VARIAC ، ومسبار الجهد التفاضلي عبر سدادات الموز لإخراج VARIAC.
- قم بتشغيل VARIAC.
- اضبط VARIAC قليلا لتحقيق ذروة 35 فولت.
- خذ نسخة من V لاستخدامها كمرجع. إظهار دورتين إلى خمس دورات أساسية.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC. لا تقم بضبط إعداد المقبض الخاص به لبقية التجربة.
2. دائرة SCR مقوم نصف الموجة مع حمل مقاوم وزاوية إطلاق صفرية
- المكون الرئيسي للمعدل هو SCR (S) ، وهو TYN058. مقاوم الحمل (R) هو 51 Ω. دائرة التحكم SCR محاطة في المربع المنقط في الشكل 1. تستخدم
- دائرة التحكم الثنائيات (1N4004) ، ومقاوم 1 كيلو أوم (R1) ، ومقاوم تحكم يتم تغييره يدويا (R2) ، ومكثف سيراميك (بدون قطبية) 1 ميكروفهرنهايت (C).
- تأكد من صحة أقطاب SCR والصمام الثنائي. توجد الشرطة الموجودة على الصمام الثنائي عند الكاثود بينما يظهر تعيين دبوس SCR في الشكل 2.
- على اللوحة الأولية ، قم ببناء الدائرة الموضحة في الشكل 1. استخدم ماس كهربائى بدلا من R2.
- قم بتوصيل مسبار الجهد التفاضلي عبر مقاوم الحمل لمراقبة جهد الخرج ، V خارج.
- قم بتشغيل VARIAC.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار Vلنفس عدد الدورات الأساسية التي تم التقاطها ل Vin. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بقياس متوسط أو متوسط Vللخارج.
- قم بالتكبير بين نقطة إيقاف تشغيل SCR ونقطة تشغيل SCR التالية. قم بقياس فارق التوقيت باستخدام مؤشرات النطاق. قم بعمل نسخة من شكل الموجة.
- احتفظ باتصال المسبار التفاضلي وتوصيلات الدوائر الأخرى كما هي للجزء التالي.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC. لا تقم بتغيير إعداد جهد VARIAC.
<فئة قوية = "xfig">الشكل 2: تعيين الدبوس ل SCR. فئة
3. دائرة SCR مقوم نصف الموجة مع حمل مقاوم وزاوية إطلاق غير صفرية
سيتم استخدام مقاومتين مختلفتين ك R2. يجب أن تكون القيم بين 100 و 1000 Ω. يمكن للمقاومة قراءة رمز لون المقاومة ، أو قياسها بمقياس رقمي متعدد.
- إعداد الزاوية # 1 (صغير R2)
- قم بإزالة ماس كهربائى ، الذي تم استخدامه سابقا بدلا من R2.
- قم بتوصيل قيمة المقاومة الصغيرة ل R2.
- قم بتشغيل VARIAC.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار مخرج V لنفس عدد الدورات الأساسية التي تم التقاطها ل Vin. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بقياس متوسط أو متوسط Vللخارج.
- قم بالتكبير بين نقطة إيقاف تشغيل SCR ونقطة تشغيل SCR التالية. قم بقياس فارق التوقيت باستخدام مؤشرات النطاق. قم بعمل نسخة من شكل الموجة.
- احتفظ باتصال المسبار التفاضلي وتوصيلات الدوائر الأخرى كما هي للجزء التالي.
- قم بإيقاف تشغيل VARIAC. لا تقم بتفكيك الدائرة أو تغيير إعداد جهد VARIAC.
- إعداد الزاوية # 2 (صغيرR 2)
- استبدل R2 بالمقاوم ذي القيمة الأكبر.
- قم بتشغيل VARIAC.
- اضبط القاعدة الزمنية على النطاق لإظهار مخرج V لنفس عدد الدورات الأساسية التي تم التقاطها ل Vin. قم بعمل نسخة من أشكال الموجة.
- قم بقياس متوسط أو متوسط Vللخارج.
- قم بالتكبير بين نقطة إيقاف تشغيل SCR ونقطة تشغيل SCR التالية. قم بقياس فارق التوقيت باستخدام مؤشرات النطاق. قم بعمل نسخة من شكل الموجة. يجب أن تكون القيمة المتوسطة هي ما هو متوقع من هذه المعادلة:
<Vout> = V0 [1 + cos (α)] / (2π) (1)
وهو أقل بقليل من نصف جهد ذروة المدخلات. - قم بإيقاف تشغيل VARIAC. قم بتفكيك الدائرة وأعد إعداد VARIAC إلى الصفر.
تسجيل الدخول أو للوصول إلى المحتوى الكامل. تعرّف على المزيد حول وصول مؤسستك إلى محتوى JoVE هنا
الثايرستور ، وتسمى أيضا المقومات التي يتم التحكم فيها من السيليكون ، أو SCRs ، هي أجهزة إلكترونية تستخدم في مخفتات الضوء ، وأجهزة التحكم في سرعة المحرك ، ومنظمات الجهد. مثل الصمام الثنائي ، يحتوي الثايرستور على أنود وكاثود ، ويوصل في اتجاه واحد فقط. في الواقع ، يشبه الرمز التخطيطي للثايرستور الصمام الثنائي ، ولكن مع طرف ثالث يمثل البوابة ، والذي يتحكم في تدفق التيار. على عكس الصمام الثنائي ، يلزم وجود نبضة تيار صغيرة في البوابة لتشغيل الثايرستور حتى يتدفق التيار الأمامي من الأنود إلى الكاثود. يتم إيقاف تشغيل الثايرستور إذا انخفض هذا التيار الأمامي إلى ما دون عتبة الإغلاق. في حالة إيقاف التشغيل ، يمنع الثايرستور التوصيل في كلا الاتجاهين. تسمح القدرة على التشغيل والإيقاف للثايرستور بالتصحيح ، أي تمرير تيار قطبية واحدة فقط وتنظيم كمية طاقة التيار المتردد إلى التلويد. سيوضح هذا الفيديو كيفية التحكم في الثايرستور عن طريق تشغيل البوابة في نقاط مختلفة أثناء دورة التيار المتردد.
تتكون الثايرستور من أربع طبقات متناوبة من أشباه الموصلات من النوع P و N ، والتي تشكل بنية PNPN. يتم توصيل سلك الأنود بمادة من النوع P في أحد طرفيها. يتم توصيل سلك الكاثود بمادة من النوع N في الطرف الآخر. ويتم توصيل سلك البوابة بطبقة من النوع P بجوار الكاثود. في هذه الدائرة البسيطة ، مع وجود مصدر طاقة تيار متردد في سلسلة مع الثايرستور والحمل ، لا يمكن لمدخل التيار المتردد في حد ذاته دفع الثايرستور إلى التوصيل الأمامي. يمكن أن يتدفق التيار من الأنود إلى الكاثود فقط بعد أن تؤدي نبضة التيار إلى البوابة إلى تشغيل حالة التشغيل. يجب أن يحدث هذا النبض عندما يكون جهد المصدر موجبا. خلاف ذلك ، يظل الثايرستور مطفأ ويمنع التيار. الثايرستور ثنائي الثبات ، مما يعني أنه يمكن أن يستريح في حالتين مختلفتين. لذلك يستمر وضع التوصيل الأمامي طالما أن جهد المصدر موجب ، والتيار أعلى من عتبة الإغلاق. إذا انخفض التيار إلى ما دون هذه العتبة ، يدخل الثايرستور في وضع الحظر ويبقى في هذه الحالة حتى يتم تشغيله مرة أخرى. فرق الطور بين نبضة البوابة والعبور الصفري لمصدر التيار المتردد الجيبي هو زاوية إطلاق النار. على سبيل المثال ، نبضة الزناد في نفس الوقت الذي يكون فيه عبور الصفر الأولي لها زاوية إطلاق تبلغ صفر درجة ، مما يؤدي إلى تصحيح كامل لنصف الموجة ، مثل الصمام الثنائي. في هذه الحالة ، يمرر الثايرستور كل الطاقة من الجزء الموجب من الدورة إلى الحمل. إذا تزامنت النبضة مع ذروة جهد التيار المتردد ، فإن زاوية إطلاق النار هي 90 درجة ، ويتلقى الحمل الطاقة من نصف الدورة الموجبة فقط. أخيرا ، ينتج عن النبضة في نفس الوقت الذي يعبر فيه سالب الصفر زاوية إطلاق 180 درجة ، مع عدم إجراء تيار وعدم نقل الطاقة على الإطلاق. الهدف من هذه التجربة هو دراسة دائرة مقوم الثايرستور التي يتم تشغيلها بزوايا إطلاق مختلفة ، ومقارنة متوسط جهد الخرج الناتج.
نظرا لأن هذه التجارب تستخدم طاقة تيار متردد 120 فولت ، تجنب ملامسة الأسلاك المكشوفة ، مما قد يتسبب في الصعق بالكهرباء والإصابة أو الوفاة. لا تلمس أي جزء من الدائرة أثناء تنشيطها ، ولا تقم بتأريض VARIAC. لمزيد من المعلومات حول السلامة الكهربائية ، يرجى مشاهدة فيديو Jove Science Education "احتياطات السلامة والمعدات الأساسية". أولا ، قم بإعداد راسم الذبذبات عن طريق توصيل مسبار النطاق القياسي بقناة واحدة والمسبار التفاضلي بقناة ثانية. قم بتكوين المسبار التفاضلي إلى واحد أكثر من 20 توهين. اضبط التضخيم على قائمة راسم الذبذبات لقناة المسبار التفاضلي. استخدم 20x إذا كان متاحا للمسبار التفاضلي. خلاف ذلك ، استخدم 10x وضاعف أي قياسات راسم الذبذبات. قم بإلغاء أي إزاحة راسم الذبذبات عن طريق قص أطراف المسبار التفاضلي معا وضبط الوضع الرأسي للآثار إلى صفر فولت. خلال هذه التجربة ، يوفر VARIAC جهد التيار المتردد بتردد خط 60 هرتز. قبل ضبط VARIAC ، تأكد من إيقاف تشغيله وعدم توصيل أي شيء بالإخراج. ثم أدر مقبض التحكم إلى إخراج 15 بالمائة. قم بتوصيل كابل الإخراج ب VARIAC وقم بتوصيل أطراف مسبار النطاق التفاضلي بمقابس الموز الخاصة بالكابل. قم بتشغيل VARIAC ، وراقب شكل الموجة على راسم الذبذبات ، واضبط VARIAC بحيث يكون سعة ناتجه V0 35 فولت. قم بتغيير القاعدة الزمنية ، أي الفاصل الزمني لكل تقسيم أفقي لراسم الذبذبات لعرض دورتين إلى خمس دورات من الجهد. التقط نسخة من شكل الموجة هذا واحفظها وسجل هذه القاعدة الزمنية وقم بتعيينها TB0 لاستخدامها لاحقا. أخيرا ، قم بإيقاف تشغيل VARIAC ، ولا تغير إعداده.
تؤدي هذه التجربة الأولى إلى تشغيل مقوم الثايرستور بزاوية إطلاق صفر درجة. قم بتجميع الدائرة كما هو موضح على لوحة أولية. استخدم VARIAC لمصدر التيار المتردد للإدخال V في. وطائر سلكي بدلا من المقاوم R2. قم بتوصيل المسبار القياسي عبر جهد الدخل V في ، ثم قم بتوصيل المسبار التفاضلي عبر مقاوم الحمل R لمراقبة جهد الخرج V للخارج. قم بتشغيل VARIAC ، واضبط النطاق على القاعدة الزمنية TB0 ، والتي تم تسجيلها مسبقا. نظرا لأن زاوية إطلاق النار تساوي صفر درجة ، فإن الثايرستور يعمل مثل الصمام الثنائي ، والجهد الناتج هو موجة جيبية نصف مصححة. استخدم الوظيفة الرياضية المضمنة في النطاق لقياس متوسط جهد الخرج. اضبط القاعدة الزمنية للتكبير بين النقاط عند إيقاف تشغيل الثايرستور، ثم يتم تشغيله مرة أخرى. استخدم مؤشرات النطاق لقياس فارق التوقيت هذا. قم بإيقاف تشغيل VARIAC ، ولا تغير إعداد الجهد. احتفظ بجميع اتصالات VARIAC والنطاق كما هي للتجربة التالية.
لمقارنة النتائج بزاويتين مختلفتين غير صفريتين ، ستؤدي التجربة التالية إلى تشغيل الثايرستور بمقاومة صغيرة ، ثم كبيرة ل R2. المقاومات ، في هذه الحالة ، 300 أوم و 620 أوم. استخدم المقاومة الأصغر لتشغيل الثايرستور بزاوية إطلاق صغيرة. قم بإزالة العبور الذي أدى إلى قصر دائرة R2. ثم أدخل المقاوم 300 أوم في مكانه. قم بتشغيل VARIAC واضبط النطاق على القاعدة الزمنية TB0. زاوية إطلاق النار الآن أكبر من صفر درجة ، ونتيجة لذلك ، يتم تشغيل الثايرستور لاحقا في الجزء الموجب من دورة التيار المتردد. قم بقياس متوسط جهد الخرج كما هو موضح سابقا. ثم قم بالتكبير وقياس الفاصل الزمني بين وقت إيقاف تشغيل الثايرستور وإعادة تشغيله. قم بإيقاف تشغيل VARIAC. دون تغيير إعداد VARIAC أو التوصيلات الأخرى ، استبدل R2 بالمقاوم الأكبر ، وكرر الاختبار. بعد اكتمال التجارب ، قم بإيقاف تشغيل VARIAC ، واضبطه على الصفر ، وقم بتفكيك الدائرة.
جهد خرج دائرة مقوم الثايرستور يساوي صفرا حتى تؤدي نبضة البوابة إلى تشغيل الثايرستور. بعد التشغيل ، يكون جهد الخرج هو الجزء المتبقي من الموجة نصف المصححة. مع زيادة زاوية إطلاق النار ، يكون جهد الخرج أكثر تقطيعا مقارنة بالإدخال ، وبالتالي ينخفض متوسط جهد الخرج. وبالتالي ، تحدد زاوية إطلاق النار مقدار الطاقة التي يمررها الثايرستور إلى الحمل.
يمكن للثايرستور التحكم في كمية الطاقة المنقولة إلى الحمل ، وكانت شائعة في مصادر طاقة التيار المستمر القديمة القابلة للتعديل. لا تزال تستخدم في العديد من تطبيقات التحكم في طاقة التيار المتردد ذات الجهد المتوسط إلى العالي. أولا ، تحتوي مخفتات الضوء الشائعة المستخدمة في المنازل والمكاتب على مقبض أو شريط تمرير من التحكم في مقياس الجهد ، وهو مقاوم متغير. يؤدي تغيير المقاومة إلى تغيير زاوية إطلاق الثايرستور ، وبالتالي يزيد أو يقلل من الطاقة التي تضيء المصباح الكهربائي. تفريغ القوس الأنودي هو وسيلة عملية وفعالة لتصنيع الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين. استخدمت الأبحاث مجالا مغناطيسيا لتعزيز إمكانية التحكم والمرونة في العملية. يشبه التفريغ الكهربائي في هذا التطبيق اللحام القوسي. وكلاهما يستخدم الثايرستور عالي الجهد للتحكم في الطاقة التي تخلق القوس.
لقد شاهدت للتو مقدمة جوف لمقومات الثايرستور. يجب أن تفهم الآن كيفية عمل الثايرستور ، وكيف تتيح التحكم في طاقة التيار المتردد للأجهزة الكهربائية. شكرا للمشاهدة.
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is a thyristor and how does it differ from a diode?
A thyristor, also called a silicon controlled rectifier (SCR), conducts current in one direction from anode to cathode like a diode, but includes a gate terminal for control. Unlike a diode, a small current pulse to the gate is required to switch the thyristor on. The thyristor can also be switched off when forward current drops below a latching threshold, enabling precise power regulation.
Q2: What is the internal structure of a thyristor?
Thyristors are four-layer devices composed of alternating P and N-type semiconductor materials, forming a PNPN structure with three junctions. The anode lead connects to P-type material at one end, the cathode connects to N-type material at the other end, and the gate connects to the P-type layer nearest the cathode.
Q3: How does the firing angle affect thyristor output voltage?
The firing angle is the phase difference between the gate pulse and the zero crossing of the AC source. As the firing angle increases, the thyristor triggers later in the positive cycle, resulting in a more chopped output voltage and decreased mean output voltage. A zero-degree firing angle produces complete half-wave rectification, while higher angles progressively reduce power delivered to the load.
Q4: What are the two stable states of a thyristor?
Thyristors are bi-stable devices that can rest in two states: forward conducting mode and blocking mode. In forward conducting mode, the thyristor conducts current as long as source voltage is positive and current remains above the latching threshold. In blocking mode, the thyristor blocks current in both directions until a gate pulse triggers it back into conduction.
Q5: What practical applications use thyristor rectifiers?
Thyristors control power in light dimmers, motor speed controllers, and voltage regulators. Home and office light dimmers use a potentiometer to change thyristor firing angle, adjusting power to light bulbs. High-voltage thyristors also enable arc discharge applications like carbon nanotube synthesis and arc welding, where they control power that creates the electrical arc.
Q6: What safety precautions are necessary when working with thyristor rectifier circuits?
When working with 120-volt AC power, avoid contact with exposed wires to prevent electrocution and injury. Do not touch any circuit components while energized and do not ground the VARIAC. For comprehensive guidance, consult electrical safety precautions and basic equipment protocols before beginning experiments.
Q7: How does a gate pulse trigger a thyristor into conduction?
A small current pulse to the gate terminal switches the thyristor on, allowing forward current to flow from anode to cathode. This pulse must occur while the source voltage is positive; otherwise, the thyristor remains off and blocks current. Once triggered, the thyristor continues conducting as long as forward current stays above the latching threshold.