Thyristor-Gleichrichter

Thyristoren, auch siliziumgesteuerte Gleichrichter oder SCRs genannt, sind elektronische Geräte, die in Lichtdimmern, Motordrehzahlreglern und Spannungsreglern verwendet werden. Wie eine Diode besteht auch ein Thyristor aus einer Anode und einer Kathode und leitet nur in eine Richtung. Tatsächlich ähnelt das schematische Symbol für einen Thyristor einer Diode, jedoch mit einem dritten Anschluss, der das Gate darstellt, das den Stromfluss steuert. Anders als bei einer Diode ist jedoch ein kleiner Stromimpuls in das Gate erforderlich, um den Thyristor einzuschalten, so dass Durchlassstrom von der Anode zur Kathode fließen kann. Der Thyristor schaltet sich ab, wenn dieser Durchlassstrom unter eine Rastschwelle fällt. Im ausgeschalteten Zustand blockiert ein Thyristor die Leitung in beide Richtungen. Die Möglichkeit zum Ein- und Ausschalten ermöglicht es dem Thyristor, Gleichzurichtung zu betreiben, d. h. Strom nur einer Polarität zu leiten und die Menge der zuzuweisenden Wechselstrom zu regulieren. In diesem Video wird gezeigt, wie Sie einen Thyristor steuern, indem Sie das Tor an verschiedenen Stellen während eines Wechselstromzyklus auslösen.

Thyristoren bestehen aus vier abwechselnden Schichten aus P- und N-Typ-Halbleitern, die eine PNPN-Struktur bilden. Die Anodenleitung ist an einem Ende mit dem P-Typ-Material verbunden. Die Kathodenleitung wird am anderen Ende mit dem N-Typ-Material verbunden. Und das Gate-Kabel ist mit der P-Typ-Schicht neben der Kathode verbunden. In dieser einfachen Schaltung mit einer Wechselstromquelle, die mit dem Thyristor in Reihe geschaltet ist, und einer Last kann der AC-Eingang allein den Thyristor nicht in die Vorwärtsleitung treiben. Erst wenn ein Stromimpuls zum Gate den Einschaltzustand auslöst, kann Strom von der Anode zur Kathode fließen. Dieser Impuls muss auftreten, während die Quellenspannung positiv ist. Andernfalls bleibt der Thyristor ausgeschaltet und blockiert den Strom. Thyristoren sind bistabil, was bedeutet, dass sie in zwei verschiedenen Zuständen ruhen können. Der Durchlassleitungsmodus bleibt also so lange bestehen, wie die Quellenspannung positiv ist und der Strom über der Verriegelungsschwelle liegt. Sinkt der Strom unter diesen Schwellenwert, geht der Thyristor in den Blockiermodus über und bleibt in diesem Zustand, bis er wieder ausgelöst wird. Die Phasendifferenz zwischen dem Gate-Impuls und dem Nulldurchgang einer sinusförmigen Wechselstromquelle ist der Zündwinkel. Zum Beispiel hat ein Triggerimpuls zur gleichen Zeit wie der anfängliche Nulldurchgang einen Zündwinkel von null Grad, was zu einer vollständigen Halbwellengleichrichtung führt, wie bei einer Diode. In diesem Fall gibt der Thyristor die gesamte Energie aus dem positiven Teil des Zyklus an die Last weiter. Wenn der Impuls mit der Spitze der Wechselspannung zusammenfällt, beträgt der Zündwinkel 90 Grad, und die Last erhält Energie nur aus der Hälfte des positiven Zyklus. Ein Impuls zur gleichen Zeit wie der negative Nulldurchgang ergibt schließlich einen Zündwinkel von 180 Grad, ohne dass Strom geleitet und überhaupt keine Energie übertragen wird. Das Ziel dieses Experiments ist es, eine Thyristorgleichrichterschaltung zu untersuchen, die bei verschiedenen Zündwinkeln ausgelöst wird, und die resultierenden durchschnittlichen Ausgangsspannungen zu vergleichen.

Da bei diesen Experimenten 120 Volt Wechselstrom verwendet wird, vermeiden Sie den Kontakt mit freiliegenden Drähten, da dies zu einem Stromschlag und Verletzungen oder zum Tod führen kann. Berühren Sie keinen Teil des Stromkreises, während er unter Spannung steht, und erden Sie den VARIAC nicht. Weitere Informationen zur elektrischen Sicherheit finden Sie im Video "Sicherheitsvorkehrungen und Grundausstattung" von Jove Science Education. Richten Sie zunächst das Oszilloskop ein, indem Sie den Standard-Oszilloskop-Tastkopf an einen Kanal und den Differenztastkopf an einen zweiten Kanal anschließen. Konfigurieren Sie die Differenzsonde auf eine Dämpfung von über 20. Stellen Sie die Verstärkung im Oszilloskop-Menü für den differentiellen Tastkopfkanal ein. Verwenden Sie 20x, wenn es für die Differenzsonde verfügbar ist. Andernfalls verwenden Sie 10x und verdoppeln Sie alle Oszilloskopmessungen. Heben Sie jeden Oszilloskop-Offset auf, indem Sie die Anschlüssen des Differenztastkopfs zusammenstecken und die vertikale Position der Leiterbahnen auf null Volt einstellen. Während dieses Experiments stellt der VARIAC Wechselspannung mit einer Netzfrequenz von 60 Hertz zur Verfügung. Vergewissern Sie sich vor dem Einstellen des VARIAC, dass er ausgeschaltet ist und nichts an den Ausgang angeschlossen ist. Drehen Sie dann den Drehknopf auf 15 Prozent Leistung. Schließen Sie das Ausgangskabel an den VARIAC an und verbinden Sie die Klemmen der Differentialoskopsonde mit den Bananensteckern des Kabels. Schalten Sie den VARIAC ein, beobachten Sie die Wellenform am Oszilloskop und stellen Sie den VARIAC so ein, dass die Amplitude seines Ausgangs V0 35 Volt beträgt. Ändern Sie die Zeitbasis, d. h. das Zeitintervall pro horizontaler Teilung des Oszilloskops, um zwei bis fünf Spannungszyklen anzuzeigen. Erfassen und speichern Sie eine Kopie dieser Wellenform, zeichnen Sie diese Zeitbasis auf und weisen Sie sie für die spätere Verwendung als TB0 zu. Schalten Sie abschließend den VARIAC aus, und ändern Sie nicht die Einstellung.

Dieses erste Experiment löst einen Thyristorgleichrichter mit einem Zündwinkel von null Grad aus. Bauen Sie die Schaltung wie auf einer Protoplatine gezeigt zusammen. Verwenden Sie den VARIAC für den Eingang der Wechselstromquelle V in. Und eine Drahtbrücke anstelle des Widerstands R2. Schließen Sie den Standard-Tastkopf an die Eingangsspannung V in und dann den Differenztastkopf an den Lastwiderstand R an, um die Ausgangsspannung V out zu beobachten. Schalten Sie den VARIAC ein, und stellen Sie den Bereich auf die Zeitbasis TB0 ein, die zuvor aufgezeichnet wurde. Da der Zündwinkel null Grad beträgt, verhält sich der Thyristor wie eine Diode und die Ausgangsspannung ist eine halbgleichgerichtete Sinuswelle. Verwenden Sie die integrierte mathematische Funktion des Oszilloskops, um die mittlere Ausgangsspannung zu messen. Passen Sie die Zeitbasis so an, dass zwischen den Punkten gezoomt wird, wenn sich der Thyristor aus- und wieder einschaltet. Verwenden Sie die Cursor des Oszilloskops, um diesen Zeitunterschied zu messen. Schalten Sie den VARIAC aus und ändern Sie nicht die Spannungseinstellung. Behalten Sie alle VARIAC- und Oszilloskop-Verbindungen für das nächste Experiment bei.

Um die Ergebnisse mit zwei verschiedenen Schusswinkeln ungleich Null zu vergleichen, wird im nächsten Experiment der Thyristor mit einem kleinen, dann einem großen Widerstand für R2 ausgelöst. Die Widerstände liegen in diesem Fall bei 300 Ohm und 620 Ohm. Nutzen Sie den kleineren Widerstand, um den Thyristor bei einem kleinen Zündwinkel auszulösen. Entfernen Sie den Jumper, der R2 kurzgeschlossen hat. Setzen Sie dann den 300-Ohm-Widerstand an seiner Stelle ein. Schalten Sie den VARIAC ein und stellen Sie den Bereich auf die Zeitbasis TB0 ein. Der Zündwinkel ist jetzt größer als null Grad, und als Ergebnis wird der Thyristor später im positiven Teil des Wechselstromzyklus ausgelöst. Messen Sie die durchschnittliche Ausgangsspannung wie zuvor beschrieben. Vergrößern Sie dann die Kamera und messen Sie das Zeitintervall zwischen dem Aus- und Wiedereinschalten des Thyristors. Schalten Sie den VARIAC aus. Ohne die VARIAC-Einstellung oder andere Anschlüsse zu ändern, R2 durch den größeren Widerstand ersetzen und den Test wiederholen. Schalten Sie nach Abschluss der Experimente den VARIAC aus, stellen Sie ihn auf Null und zerlegen Sie den Stromkreis.

Die Ausgangsspannung der Thyristorgleichrichterschaltung ist Null, bis ein Gate-Impuls den Thyristor auslöst. Nach dem Triggern ist die Ausgangsspannung der verbleibende Teil einer halbgleichgerichteten Welle. Mit zunehmendem Zündwinkel wird die Ausgangsspannung im Vergleich zum Eingang stärker abgehackt, und daher nimmt die mittlere Ausgangsspannung ab. Folglich bestimmt der Zündwinkel, wie viel Leistung ein Thyristor an die Last abgibt.

Thyristoren können die an eine Last übertragene Leistung steuern und waren in älteren einstellbaren Gleichstromnetzteilen üblich. Sie werden immer noch in vielen Mittel- bis Hochspannungs-Wechselstromsteuerungsanwendungen eingesetzt. Erstens haben gängige Lichtdimmer, die in Wohnungen und Büros verwendet werden, einen Knopf oder Schieberegler, der ein Potentiometer steuert, bei dem es sich um einen variablen Widerstand handelt. Durch Ändern des Widerstands ändert sich der Zündwinkel eines Thyristors und die Leistung, die eine Glühbirne zum Leuchten bringt, wird entsprechend erhöht oder verringert. Die anodische Lichtbogenentladung ist ein praktisches und effizientes Mittel zur Synthese von Kohlenstoffnanoröhren und Graphen. Forscher haben ein Magnetfeld verwendet, um die Steuerbarkeit und Flexibilität des Prozesses zu verbessern. Die elektrische Entladung in dieser Anwendung ist ähnlich wie beim Lichtbogenschweißen. Und beide verwenden Hochspannungsthyristoren, um die Leistung zu steuern, die den Lichtbogen erzeugt.

Sie haben gerade Jupiters Einführung in die Thyristorgleichrichter gesehen. Sie sollten jetzt verstehen, wie Thyristoren funktionieren und wie sie die Steuerung der Wechselstromversorgung von elektrischen Geräten ermöglichen. Danke fürs Zuschauen.