Overview
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
다이오드와 유사하게 실리콘 제어 직류기(SCRs)라고도 하는 흉선은 양극에서 음극으로 한 방향으로 전류를 전달하고 다른 방향으로 전류 흐름을 차단합니다. 그러나 현재 통로는 "게이트" 단단을 통해 제어될 수 있으며, 이 터미널에서는 흉선기를 켜기 위해 작은 전류 펄스가 필요합니다.
Thyristors는 n형 및 p형 재료의 교대층으로 구성된 4층 장치로, 3개의 접합부로 PNPN 구조를 형성한다. 흉선에는 세 개의 단자가 있습니다. 양극이 PNPN 구조의 p형 재료에 연결되고, 음극이 n형 층에 연결되고, 문은 음극에 가장 가까운 p형 층에 연결한다.
이 실험의 목적은 서로 다른 조건에서 제어 된 흉선 기반의 하프 웨이브 정류기를 연구하고 게이트 펄스의 다른 타이밍이 DC 출력 전압에 미치는 영향을 이해하는 것입니다.
Principles
흉선은 다이오드와 동일한 조건하에서만 전도 과정을 트리거하기 위해 게이트 펄스를 갖는 조건과 함께 수행됩니다. 예를 들어 AC 소스가 흉선 및 저항 부하와 연재된 경우 소스의 양수 반 주기가 사이리스터편향을 전달하기에 충분하지 않습니다. 게이트 펄스가 적용될 때까지 흉선은 역 편향되거나 꺼져 있습니다. 그런 다음 반주기 동안 수행이 시작됩니다. 따라서, 흉선에는 양극(A), 음극(K) 및 게이트(G)의 세 가지 단자가 있다. 게이트 펄스는 게이트로 전류를 구동하는 "게이트 드라이브" 회로에 의해 생성됩니다. 게이트 펄스 명령을 교차하는 AC 소스 0 사이의 지연은 전기 각도인 "발사 각도"라고 합니다.
도 1은 심플 생성회로(R1,R2,D1,D2및 C)를가진 간단한 반파 흉선 정류회로를 나타내며, 이는 사이리스터의 게이트에서 전류 펄스를 생성한다. 펄스가 가능하고 입력 전압 V의 제로 교차로부터 특정 지연 기간인 발사 각도에서"발사"되면, 흉선은 한 방향으로 전류를 전달하는 측면에서 다이오드처럼 작용한다. 전류가 0으로 이동하고 게이트 펄스를 사용할 수 없게 되면 전류가 다시 긍정적이고 게이트 펄스가 발사될 때까지 흉선은 꺼져 있습니다.
이 실험에서는 제어된 흉부 기반 하프 웨이브 정류를 다른 발사 각도로 연구할 것입니다. 서로 다른 각도의 평균 출력 전압은 평균 DC 출력 전압에서 턴온 시간을 제어하는 효과를 연구하기 위해 비교됩니다.
그림 1: SCR 및 저항 하중이 있는 하프 웨이브 정류기.
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Procedure
주의: 이 실험 중에 활력을 불어넣는 동안 회로의 일부를 만지지 마십시오. VARIAC를 접지하지 마십시오.
이 실험의 경우 60Hz의 저주파및 35V의 피크에서 가변 변압기(VARIAC)가 주 AC 소스로 사용된다.
1. 설정
- 시작하기 전에 차동 프로브를 하나의 범위 채널에 연결합니다.
- 차동 프로브의 버튼을 1/20(또는 20X) 감쇠로 설정합니다.
- 범위 채널 메뉴에서 차동 프로브에 20X를 사용할 수 없는 한 프로브를 10배로 설정합니다. 10X를 선택하면 측정 값이나 결과를 2배 씩 수동으로 곱하여 원하는 20X에 도달합니다.
- VARIAC를 설정하려면 VARIAC 출력(일반 리셉터클처럼 보이는)이 케이블에 연결되어 있지 않은지 확인합니다.
- VARIAC를 끄고 노브가 0으로 설정되어 있는지 확인합니다.
- VARIAC 노브를 약 15% 출력으로 천천히 조정합니다.
- 차동 프로브를 회로에 연결하기 전에 프로브의 단단을 함께 묶고 측정된 파형을 화면에 조정하여 0 오프셋 전압을 표시합니다.
- 출력 케이블을 VARIAC에 연결하고 VARIAC 출력 바나나 플러그를 가로질러 차동 전압 프로브를 연결합니다.
- VARIAC를 켭니다.
- 35V 피크를 달성하기 위해 VARIAC를 약간 조정합니다.
- 참조에 사용 하려면 V의 복사본을 가져 가라. 2~5개의 기본 주기를 표시합니다.
- VARIAC를 끕니다. 실험의 나머지 부분에 대한 노브 설정을 조정하지 마십시오.
2. 저항 하중과 제로 발사 각도와 하프 웨이브 정류기 SCR 회로
- 주요 정류기 구성 요소는 TYN058인 SCR(S)입니다. 하중저항기(R)는51 Ω. SCR 제어 회로는 도 1의 점선 상자에 동봉되어 있습니다.
- 제어 회로는 다이오드(1N4004), 1kΩ 저항기(R1),수동으로 변경되는 제어 저항기(R2),및 세라믹(극성 없음) 1 μF 커패시터(C)를 사용합니다.
- SCR 및 다이오드 극성 올바른지 확인합니다. SCR 핀 할당이 도 2에 표시되는 동안 다이오드의 대시는 음극에 있습니다.
- 프로토 보드에 도 1에 표시된 회로를 구축합니다. R2대신 단락을 사용합니다.
- 하중 저항기를 가로질러 차동 전압 프로브를 연결하여 출력 전압, V출력을 관찰합니다.
- VARIAC를 켭니다.
- 범위의 시간 기준을 조정하여 V에서 캡처된 동일한 기본 주기 수에 대해 V를 표시합니다. 파형의 복사본을 만듭니다.
- 평균 또는 평균 V를 측정합니다.
- SCR 턴오프 지점과 다음 SCR 턴온 지점 사이를 확대합니다. 범위 커서를 사용하여 시간 차이를 측정합니다. 파형의 복사본을 만듭니다.
- 다음 부분에 대해 차동 프로브 연결 및 기타 회로 연결을 동일하게 유지합니다.
- VARIAC를 끕니다. VARIAC 전압 설정을 변경하지 마십시오.
그림 2: SCR의 핀 할당.
3. 저항 하중및 제로가 아닌 발사 각도가 있는 하프 웨이브 정류기 SCR 회로
두 개의 다른 저항기는 R2로사용됩니다. 값은 100에서 1000 Ω 사이여야 합니다. 저항은 저항 색상 코드를 읽거나 디지털 멀티미터로 측정할 수 있습니다.
- 앵글 세팅 #1(소형 R2)
- R2대신 이전에 사용되었던 단락을 제거합니다.
- R 2에 대한 작은 저항 값을 연결합니다.
- VARIAC를 켭니다.
- 범위의 시간 기준을 조정하여 V에 대해 캡처된 동일한 수의 기본 주기에 대해 V를 표시합니다. 파형의 복사본을 만듭니다.
- 평균 또는 평균 V를 측정합니다.
- SCR 턴오프 지점과 다음 SCR 턴온 지점 사이를 확대합니다. 범위 커서를 사용하여 시간 차이를 측정합니다. 파형의 복사본을 만듭니다.
- 다음 부분에 대해 차동 프로브 연결 및 기타 회로 연결을 동일하게 유지합니다.
- VARIAC를 끕니다. 회로를 분해하거나 VARIAC 전압 설정을 변경하지 마십시오.
- 각도 설정 #2(소형 R2)
- R2를 더 큰 값 저항자로 바꿉습니다.
- VARIAC를 켭니다.
- 범위의 시간 기준을 조정하여 V에 대해 캡처된 동일한 수의 기본 주기에 대해 V를 표시합니다. 파형의 복사본을 만듭니다.
- 평균 또는 평균 V를 측정합니다.
- SCR 턴오프 지점과 다음 SCR 턴온 지점 사이를 확대합니다. 범위 커서를 사용하여 시간 차이를 측정합니다. 파형의 복사본을 만듭니다. 평균 값은 이 방정식에서 예상되는 값이어야 합니다.
<V아웃> =V0[1+cos(α)]/(π) (1)
이는 입력의 피크 전압의 절반 미만입니다. - VARIAC를 끕니다. 회로를 분해하고 VARIAC 설정을 0으로 반환합니다.
실리콘 제어 정류기 또는 SCR이라고도 하는 Thyristors는 라이트 디머, 모터 속도 컨트롤러 및 전압 조절기에서 사용되는 전자 장치입니다. 다이오드처럼, 흉선에는 양극과 음극이 있으며 한 방향으로만 수행됩니다. 사실, 흉선에 대한 회로도 기호는 다이오드와 유사하지만, 현재 흐름을 제어하는 게이트를 나타내는 세 번째 단말이 있습니다. 그러나 다이오드와 달리, 문으로 작은 전류 펄스가 필요하므로 전방 전류가 양극에서 음극으로 흐를 수 있습니다. 이 전방 전류가 래칭 임계값 아래로 떨어지면 흉선이 꺼집니다. 오프 상태에서, 흉선 은 양방향으로 전도를 차단합니다. 켜고 끌 수 있는 능력은 흉선자가 바로잡을 수 있게 해주며, 이는 극성의 전류를 통과하고 AC 전력의 양을 알로데에 조절하는 것입니다. 이 비디오는 AC 주기 동안 여러 지점에서 게이트를 트리거하여 흉선을 제어하는 방법을 보여줍니다.
Thyristors는 PNPN 구조를 형성하는 P 및 N형 반도체의 4개의 교대층으로 구성됩니다. 양극 납은 한쪽 끝에 있는 P형 재질에 연결됩니다. 음극 납은 다른 쪽 끝에 있는 N형 재료에 연결됩니다. 그리고 게이트 리드는 음극 옆에 있는 P형 레이어에 연결됩니다. 이 간단한 회로에서는 전자와 부하가 있는 AC 전원이 연이어 있는 이 간단한 회로에서 AC 입력 자체가 방향ristor를 전방 전도로 구동할 수 없습니다. 현재 펄스가 게이트로 이동한 후에만 양극에서 음극으로 흘러갈 수 있습니다. 이 펄스는 소스 전압이 양수인 동안 발생해야 합니다. 그렇지 않으면, 흉선은 떨어져 남아 전류를 차단합니다. Thyristors는 두 가지 다른 상태에서 휴식을 취할 수 있다는 것을 의미하는 양방향 안정적입니다. 따라서 전방 전도 모드는 소스 전압이 양수이고 전류가 래칭 임계값 을 초과하는 한 유지됩니다. 전류가 이 임계값 이하로 떨어지면 흉선은 차단 모드로 들어가 다시 트리거될 때까지 해당 상태로 유지됩니다. 게이트 펄스와 부비동 AC 소스의 제로 크로싱 사이의 위상 차이는 발사 각도입니다. 예를 들어 초기 제로 크로싱과 동시에 트리거 펄스는 발사 각도가 0도인 데, 결과적으로 다이오드와 같은 완전한 반파 정류가 발생합니다. 이 경우, 흉선은 사이클의 양수 부분에서 부하로 모든 에너지를 전달합니다. 펄스가 AC 전압의 피크와 일치하는 경우 발사 각도는 90도이며 하중은 양수 사이클의 절반만에너지를 받습니다. 마지막으로, 음수 제로 크로싱과 동시에 펄스는 180도의 발사 각도를 생성하며, 전류가 수행되지 않고 에너지가 전혀 전송되지 않습니다. 이 실험의 목적은 다른 발사 각도에서 트리거된 흉선 정류회로를 연구하고 결과 평균 출력 전압을 비교하는 것입니다.
이러한 실험은 120볼트 AC 전력을 사용하기 때문에 감전및 부상 또는 사망을 초래할 수 있는 노출된 전선과의 접촉을 피하십시오. 이 에너자이징하는 동안 회로의 어떤 부분을 만지지 말고 VARIAC를 접지하지 마십시오. 전기 안전에 대한 자세한 내용은 Jove 과학 교육 비디오 "안전 예방 조치 및 기본 장비"를 참조하십시오. 먼저 표준 범위 프로브를 하나의 채널과 차동 프로브를 두 번째 채널에 연결하여 오실로스코프를 설정합니다. 차동 프로브를 20개 이상의 감쇠로 구성합니다. 차동 프로브 채널의 오실로스코프 메뉴에서 증폭을 설정합니다. 차동 프로브에 사용할 수 있는 경우 20x를 사용합니다. 그렇지 않으면 10x를 사용하고 오실로스코프 측정을 두 배로 늘리는 것입니다. 차동 프로브 단단을 함께 클리핑하고 추적 수직 위치를 0볼트로 조정하여 오실로스코프 오프셋을 취소합니다. 이 실험 에서 VARIAC는 60 헤르츠의 라인 주파수로 AC 전압을 제공합니다. VARIAC를 조정하기 전에 변경되고 출력에 연결되지 않았는지 확인합니다. 그런 다음 컨트롤 노브를 15%의 출력으로 바꿔보십시오. 출력 케이블을 VARIAC에 연결하고 차동 범위 프로브 단자를 케이블의 바나나 플러그에 연결합니다. VARIAC를 켜고, 오실로스코프의 파형을 관찰하고, VARIAC를 조정하여 출력 V0의 진폭이 35볼트가 되도록 합니다. 시간 기준을 변경, 즉 전압의 2 ~ 5 사이클을 표시하는 오실로스코프의 수평 분할 당 시간 간격이다. 이 파형의 복사본을 캡처하고 저장하고 이 시간 베이스를 기록하고 나중에 사용할 TB0을 지정합니다. 마지막으로 VARIAC를 끄고 설정을 변경하지 않습니다.
이 첫 번째 실험은 발사 각도가 0도인 흉선 정류를 트리거합니다. 프로토 보드에 표시된 대로 회로를 조립합니다. 입력 AC 소스 V에 대한 VARIAC를 사용합니다. 그리고 저항 R2 대신 와이어 점퍼. 표준 프로브를 입력 전압 V에 연결한 다음 부하 저항기 R을 가로질러 차동 프로브를 연결하여 출력 전압 V를 관찰합니다. VARIAC를 켜고 범위를 이전기록된 시간 기준 TB0로 설정합니다. 발사 각도가 0도이기 때문에 흉선은 다이오드처럼 작동하며 출력 전압은 반쯤 정류된 죄파입니다. 범위의 내장 수학적 함수를 사용하여 평균 출력 전압을 측정합니다. 타임베이스를 조정하여 타임리스트가 꺼지면 점 사이를 확대한 다음 다시 켭니다. 범위의 커서를 사용하여 이 시간 차이를 측정합니다. VARIAC를 끄고 전압 설정을 변경하지 않습니다. 다음 실험에 대해 모든 VARIAC 및 범위 연결을 동일하게 유지합니다.
결과를 두 개의 다른 제로 발사 각도와 비교하기 위해 다음 실험은 R2에 대한 큰 저항으로 흉선기를 트리거합니다. 저항은,이 경우, 300 옴과 620 옴입니다. 작은 저항을 사용하여 작은 발사 각도에서 흉선을 트리거합니다. 단락R2의 점퍼를 제거합니다. 그런 다음 300 ohm 저항기를 그 자리에 삽입합니다. VARIAC를 켜고 범위를 시간 기본 TB0으로 설정합니다. 발사 각도가 0도보다 크며, 결과적으로, thyristor는 AC 주기의 양부분에서 나중에 트리거됩니다. 앞서 설명한 평균 출력 전압을 측정합니다. 그런 다음 확대하여 타임리스트가 꺼지고 다시 켜지는 시간 간격을 측정합니다. VARIAC를 끕니다. VARIAC 설정 또는 다른 연결을 변경하지 않고 R2를 더 큰 저항자로 바꾸고 테스트를 반복합니다. 실험이 완료되면 VARIAC를 끄고 0으로 설정하고 회로를 분해합니다.
게이트 펄스가 흉선을 트리거할 때까지 흉선 정류회로의 출력 전압은 0입니다. 트리거링 후 출력 전압은 반쯤 정류된 파의 나머지 부분입니다. 발사 각도가 증가함에 따라 출력 전압은 입력에 비해 더 잘리므로 평균 출력 전압이 감소합니다. 따라서 발사 각도는 흉선이 부하에 전달되는 전력의 양을 결정합니다.
Thyristors는 부하로 전송되는 전력의 양을 제어할 수 있으며 이전 조정 가능한 DC 전원 공급 장치에 일반적이었습니다. 그들은 여전히 많은 중간 에서 고전압 AC 전력 제어 응용 프로그램에서 사용됩니다. 첫째, 가정과 사무실에서 사용되는 일반적인 빛 조광기는 변성 저항기인 전위오차계를 제어하는 것보다 노브 또는 슬라이더를 가지고 있습니다. 저항을 변경하면 흉부의 발사 각도가 변경되고, 그에 따라 전구를 비추는 전력이 증가하거나 감소합니다. 아노딕 아크 분비물은 탄소 나노튜브와 그래핀을 합성하는 실용적이고 효율적인 수단입니다. 연구는 공정의 제어 가능성과 유연성을 향상시키기 위해 자기장을 사용했습니다. 이 응용 프로그램의 전기 방전은 아크 용접과 유사합니다. 또한 모두 고전압 사이리스터를 사용하여 호를 생성하는 전력을 제어합니다.
당신은 방금 조브의 티리스터 렉티퍼 소개를 지켜보았습니다. 이제 흉선이 어떻게 작동하는지, 그리고 전기 장치에 AC 전력을 제어하는 방법을 이해해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Results
AC 입력 전압 파형은 발사 각도까지 잘립니다. 입력 V가있는다른 SCR 정류에 대한 평균 출력 전압 및 발사 각도의 중요한 관계는 = V0 cos(ωt)는 다음과 같습니다.
• 단일 SCR 및 R 부하: <V>=V0[1 +cos (α)]/(2π)(2)
• SCR 브리지 및 R 부하: <V아웃> = V0[1 +cos (α)]/π (3)
• SCR 브리지, 현재 소스 부하: <V아웃>=2V0 cos (α)/π (4)
발사 각도가 증가함에 따라 저항 하중을 가로지르는 출력 전압 파형이 입력의 다진 버전이기 때문에 출력의 평균 또는 DC 전압이 감소합니다.
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Applications and Summary
SCR은 AC 입력에서 가변 DC 출력 전압이 필요한 구형 DC 전원 공급 장치에서 일반적이었습니다. 상기 회로에서 저항R 2를 조정함으로써 평균 V를조절하여 조정 가능한 DC 전원 공급량 결과를 낼 수 있다. SC는 입력 라인 주파수(일반적으로 50 또는 60Hz)에서 전환할 때 DC 전원 공급 장치에서 더 이상 일반적이지 않으며, 새로운 전원 공급 장치는 10s 또는 100skHz에서 스위치를 전환하여 출력 전압을 필터링하여 더 작은 커패시터로 DC 구성 요소를 훨씬 쉽게 추출할 수 있습니다. 그러나 SCR은 많은 고전압 및 고전류 SCR이 시장에서 사용할 수 있기 때문에 스위칭 주파수가 라인 주파수에서 낮을 수 있는 고전압 인버터에서 여전히 일반적입니다.
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