Тиристорный выпрямитель

Тиристоры, также называемые кремниевыми управляемыми выпрямителями, или SCR, представляют собой электронные устройства, используемые в диммерах освещения, регуляторах скорости двигателя и регуляторах напряжения. Как и диод, тиристор имеет анод и катод и проводит воду только в одном направлении. На самом деле, схематический символ тиристора напоминает диод, но с третьим выводом, представляющим собой затвор, который контролирует протекание тока. Однако, в отличие от диода, для включения тиристора требуется небольшой импульс тока в затвор, чтобы прямой ток мог течь от анода к катоду. Тиристор отключается, если этот прямой ток падает ниже порога фиксации. В выключенном состоянии тиристор блокирует проводимость в обоих направлениях. Возможность включения и выключения позволяет тиристору выпрямляться, то есть пропускать ток только одной полярности и регулировать величину переменного тока для аллоды. В этом видео будет показано, как управлять тиристором путем срабатывания затвора в различных точках во время цикла переменного тока.

Тиристоры состоят из четырех чередующихся слоев полупроводников P и N-типа, которые образуют структуру PNPN. Анодный провод соединен с материалом P-типа с одного конца. Катодный провод соединен с материалом N-типа на другом конце. А вывод затвора подключается к слою P-типа рядом с катодом. В этой простой схеме, с источником питания переменного тока, расположенным последовательно с тиристором, и нагрузкой, вход переменного тока сам по себе не может привести тиристор в движение прямой проводимости. Ток может протекать от анода к катоду только после того, как импульс тока к затвору приводит во включенное состояние. Этот импульс должен возникать при положительном напряжении источника. В противном случае тиристор остается выключенным и блокирует ток. Тиристоры бистабильны, что означает, что они могут находиться в двух разных состояниях. Таким образом, режим прямой проводимости сохраняется до тех пор, пока напряжение источника положительное, а ток превышает порог фиксации. Если ток падает ниже этого порога, тиристор переходит в режим блокировки и остается в этом состоянии до повторного срабатывания. Разность фаз между импульсом затвора и пересечением нуля синусоидального источника переменного тока является углом срабатывания. Например, импульс запуска одновременно с начальным пересечением нуля имеет угол срабатывания ноль градусов, что приводит к полному полуволновому выпрямлению, как у диода. В этом случае тиристор передает всю энергию от положительной части цикла к нагрузке. Если импульс совпадает с пиком напряжения переменного тока, угол срабатывания составляет 90 градусов, а нагрузка получает энергию только от половины положительного цикла. Наконец, импульс одновременно с отрицательным пересечением нуля приводит к углу срабатывания 180 градусов без проводимого тока и вообще без передачи энергии. Целью данного эксперимента является изучение схемы тиристорного выпрямителя, срабатывающей при различных углах срабатывания, и сравнение полученных средних выходных напряжений.

Поскольку в этих экспериментах используется напряжение 120 вольт переменного тока, избегайте контакта с оголенными проводами, который может привести к поражению электрическим током и травмам или смерти. Не прикасайтесь к какой-либо части цепи, когда она находится под напряжением, и не заземляйте VARIAC. Для получения дополнительной информации об электробезопасности посмотрите обучающее видео Jove Science Education «Меры предосторожности и основные средства». Во-первых, настройте осциллограф, подключив стандартный пробник осциллографа к одному каналу, а дифференциальный пробник — ко второму. Настройте дифференциальный пробник на затухание один более 20. Установите усиление в меню осциллографа для канала дифференциального пробника. Используйте 20x, если он доступен для дифференциального пробника. В противном случае используйте 10-кратное и удвойте любые измерения осциллографа. Отмените смещение осциллографа, соединив клеммы дифференциального пробника вместе и отрегулировав вертикальное положение трасс на ноль вольт. Во время этого эксперимента VARIAC выдает переменное напряжение с линейной частотой 60 Гц. Перед настройкой VARIAC убедитесь, что он выключен и ничего не подключено к выходу. Затем поверните ручку управления на 15 процентов мощности. Подключите выходной кабель к VARIAC и подсоедините клеммы дифференциального щупа осциллографа к банановым штекерам кабеля. Включите VARIAC, понаблюдайте за формой сигнала на осциллографе и отрегулируйте VARIAC так, чтобы амплитуда его выходного напряжения V0 составляла 35 вольт. Измените временную развертку, то есть интервал времени на горизонтальное деление осциллографа для отображения от двух до пяти циклов напряжения. Захватите и сохраните копию этого сигнала, запишите эту временную базу и обозначьте ее TB0 для последующего использования. Наконец, выключите VARIAC и не меняйте его настройку.

В этом первом эксперименте запускается тиристорный выпрямитель с углом срабатывания ноль градусов. Соберите схему, как показано на прототипной плате. Используйте VARIAC для входного источника переменного тока V in. И проволочная перемычка на месте резистора R2. Подключите стандартный пробник к входному напряжению V in, затем подключите дифференциальный пробник через резистор нагрузки R, чтобы наблюдать за выходным напряжением V. Включите VARIAC и установите область действия на временную базу TB0, которая была записана ранее. Поскольку угол возбуждения равен нулю градусов, тиристор действует как диод, а выходное напряжение представляет собой полувыпрямленную синусоиду. Используйте встроенную математическую функцию осциллографа для измерения среднего выходного напряжения. Отрегулируйте временную базу для увеличения масштаба между точками, когда тиристор выключается, а затем снова включается. Используйте курсоры осциллографа для измерения этой разницы во времени. Выключите VARIAC и не изменяйте настройку напряжения. Для следующего эксперимента оставьте все соединения VARIAC и осциллографа прежними.

Чтобы сравнить результаты с двумя различными ненулевыми углами срабатывания, в следующем эксперименте тиристор будет срабатывать с небольшим, а затем большим сопротивлением R2. Сопротивление в данном случае составляет 300 Ом и 620 Ом. Используйте меньшее сопротивление для срабатывания тиристора при небольшом угле выстрела. Снимите перемычку, которая вызвала короткое замыкание R2. Затем вставьте резистор на 300 Ом на свое место. Включите VARIAC и установите область действия на временную базу TB0. Угол срабатывания теперь больше нуля градусов, и, как следствие, тиристор срабатывает позже в положительной части цикла переменного тока. Измерьте среднее выходное напряжение, как описано ранее. Затем увеличьте масштаб и измерьте временной интервал между выключением тиристора и его повторным включением. Выключите VARIAC. Не изменяя настройку VARIAC или другие соединения, замените R2 на резистор большего размера и повторите тест. После завершения экспериментов выключите VARIAC, установите его на ноль и разберите схему.

Выходное напряжение схемы тиристорного выпрямителя равно нулю до тех пор, пока импульс затвора не приведет к срабатыванию тиристора. После запуска выходное напряжение представляет собой оставшуюся часть полувыпрямленной волны. По мере увеличения угла обжига выходное напряжение уменьшается сильнее по сравнению с входным, и, следовательно, среднее выходное напряжение уменьшается. Следовательно, угол обстрела определяет величину мощности, которую тиристор передает на груз.

Тиристоры могут контролировать количество энергии, передаваемой на нагрузку, и были распространены в старых регулируемых источниках питания постоянного тока. Они до сих пор используются во многих системах управления питанием переменного тока среднего и высокого напряжения. Во-первых, обычные диммеры света, используемые в домах и офисах, имеют ручку или ползунок, который управляет потенциометром, который является переменным резистором. Изменение сопротивления изменяет угол срабатывания тиристора и, соответственно, увеличивает или уменьшает мощность, которая зажигает лампочку. Анодный дуговой разряд является практичным и эффективным средством синтеза углеродных нанотрубок и графена. Исследователи использовали магнитное поле для повышения управляемости и гибкости процесса. Электрический разряд в этом приложении аналогичен разряду при дуговой сварке. И в обоих используются высоковольтные тиристоры для управления мощностью, которая создает дугу.

Вы только что посмотрели «Введение Юпитера в тиристорные выпрямители». Теперь вы должны понять, как работают тиристоры и как они позволяют управлять питанием переменного тока к электрическим устройствам. Спасибо за просмотр.