Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Science Education
Electrical Engineering

A subscription to JoVE is required to view this content.

AC Induction Motor Characterization
Science Education (Electrical Engineering)
AC Induction Motor Characterization
Introduction to the Power Pole Board
Science Education (Electrical Engineering)
Introduction to the Power Pole Board
 
Automatic Translation
Add to Playlist
Click here for the English version

מאמת תיריסטור

Automatic Translation

Overview

מקור: עלי באזי, המחלקה להנדסת חשמל, אוניברסיטת קונטיקט, סטורים, CT.

בדומה לדיודות, תיריסטורים, הנקראים גם מפסקים מבוקרי סיליקון (SCRs), עוברים זרם בכיוון אחד מהאנודה לקתודה וחוסמים את זרימת הזרם בכיוון השני. עם זאת, המעבר הנוכחי יכול להיות נשלט דרך מסוף "שער", אשר דורש פעימה זרם קטן כדי להפעיל את thyristor, כך שהוא יכול להתחיל ניצוח.

תיריסטורים הם התקנים בעלי ארבע שכבות, המורכבים משכבות לסירוגין של חומר מסוג n ו- p, ובכך יוצרים מבני PNPN עם שלושה צמתים. לתיריסטור שלושה מסופים; עם האנודה המחוברת לחומר מסוג p של מבנה PNPN, הקתודה המחוברת לשכבה מסוג n והשער המחובר לשכבה p-type הקרובה ביותר לקתודה.

מטרת הניסוי היא לחקור מאמת חצי גלים מבוקר המבוסס על תיריסטור בתנאים שונים, ולהבין כיצד תזמונים שונים של פעימת השער משפיעים על מתח היציאה של DC.

Principles

thyristor רק מתנהל באותם תנאים כמו דיודה, בנוסף למצב של דופק שער כדי להפעיל את תהליך ההולכת. לדוגמה, אם מקור AC מחובר בסדרה עם thyristor ועומס התנגדות, חצי מחזור חיובי של המקור אינו מספיק כדי קדימה הטיה thyristor; התיריסטור יישאר מוטה לאחור או כבוי עד פולס שער מוחל. לאחר מכן הוא יתחיל לנצח במהלך חצי המחזור הזה. לפיכך, לתיריסטור שלושה מסופים, אנודה (A), קתודה (K) ושער (ז). פולסים שער נוצרים על ידי מעגלי "כונן שער" המניעים את הזרם לתוך השער. העיכוב בין מקור AC אפס חוצה את פקודת פעימת השער מכונה "זווית ירי" שהיא זווית חשמלית.

Fig.1 מציג מעגל תיקון תיריסטור חצי גל פשוט עם מעגל יצירת פעימות (R1, R2, D1, D2 ו- C) המייצר פולסים נוכחיים בשער התיריסטור. כאשר הדופק זמין והוא "ירה" בזווית ירי שהיא תקופת עיכוב מסוימת מן חציית אפס של מתח הכניסה Vב,thyristor מתנהג כמו דיודה במונחים של עובר זרם בכיוון אחד. ברגע שהזרם מגיע לאפס ופעימת השער אינה זמינה, התיריסטור יישאר כבוי עד שהזרם יהיה חיובי שוב ופעימת שער תיור.

בניסוי זה, נחקור מאמת חצי גלים מבוסס תיריסטור מבוקר בזוויות ירי שונות. מתחי היציאה הממוצעים לזוויות שונות מושוים לחקר ההשפעה של שליטה בזמן ההפעלה על מתח היציאה הממוצע של DC.

Figure 1
איור 1: מקטן חצי גל עם SCR ועומס התנגדותי.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Procedure

שימו לב: במהלך ניסוי זה, אין לגעת בשום חלק של המעגל בזמן אנרגיה. אל תקרקע את ה-VARIAC.

לניסוי זה, שנאי המשתנה (VARIAC) בתדר נמוך של 60 הרץ ושיא של 35 V משמש כמקור AC העיקרי.

1. התקנה

  1. לפני שתתחיל, חבר את הבדיקה הדיפרנציאלית לערוץ טווח אחד.
    1. הגדר את הלחצן בגשוש הדיפרנציאלי ל- 1/20 (או 20X) של ההפחתה.
  2. בתפריט ערוץ הטווח, הגדר את הבדיקה להיות ב 10X אלא אם כן 20X זמין עבור בדיקה דיפרנציאלית. אם נבחר 10X, הכפל באופן ידני את כל המדידות או התוצאות בשתיים כדי להגיע לפי 20 הרצוי.
  3. כדי להגדיר את ה-VARIAC, ודא שפלט VARIAC (נראה כמו כלי קיבול רגיל) אינו מחובר לכבל כלשהו.
    1. שמור את VARIAC כבוי ולוודא הידית שלה מוגדרת לאפס.
    2. התאם לאט את ידית VARIAC לסביבות 15% תפוקה.
  4. לפני חיבור הגשושית הדיפרנציאלית למעגל, קשרו את מסופי הגשושית והתאמו את צורת הגל הנמדדת שלה על המסך כדי להציג מתח היסט אפסי.
  5. חבר את כבל היציאה ל- VARIAC, ואת בדיקת המתח הדיפרנציאלי על פני תקעי הבננה פלט VARIAC.
    1. הפעל את ה-VARIAC.
    2. התאימו מעט את ה-VARIAC כדי להגיע לשיא של 35V.
  6. קח עותק של Vב לשימוש לעיון. הצג שניים עד חמישה מחזורים בסיסיים.
  7. כבה את ה-VARIAC. אל תתאים את הגדרת הידית שלו להמשך הניסוי.

2. מעגל SCR מתיקון חצי גל עם עומס התנגדותי וזווית ירי אפס

  1. רכיב הממיין העיקרי הוא SCR (S), שהוא TYN058. נגד העומס(R)הוא 51 Ω. מעגל הבקרה SCR מוקף בתיבה המנוקדת של איור 1.
  2. מעגל הבקרה משתמש בדיודות (1N4004), נגד 1 kΩ (R1), נגד בקרה שמשתנה באופן ידני (R2), ו קבל קרמי (ללא קוטביות) 1 μF(C).
    1. ודא שהקוטביות של SCR ודיודה נכונות. המקף על הדיודה נמצא בקתודה בעוד שהקצאת סיכת SCR מוצגת ב- Fig. 2.
  3. על לוח הפרוטו, בנה את המעגל המוצג בתאנה 1. השתמש בקיצור במקום R2.
  4. חבר את גשושית המתח הדיפרנציאלית על פני נגד העומס כדי לצפות במתח היציאה, Vהחוצה.
  5. הפעל את ה-VARIAC.
  6. התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג את Vהחוצה עבור אותו מספר של מחזורים בסיסיים שנלכדו עבור Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
    1. מדוד את ה- Vהממוצע או הממוצע החוצה .
    2. התקרב בין נקודת ההפעלה SCR לנקודת ההפעלה הבאה של SCR. מדוד את הפרש השעות באמצעות סמני הטווח. הפוך עותק של צורת הגל.
  7. שמור את חיבור הגשושית הדיפרנציאלית וחיבורי מעגלים אחרים זהים לחלק הבא.
  8. כבה את ה-VARIAC. אל תשנה את הגדרת המתח VARIAC.

Figure 2
איור 2: הצמדת המשימה של SCR.

3. מעגל SCR מתיקון חצי גל עם עומס התנגדותי וזווית ירי לא אפס

שני נגדים שונים ישמשו כ- R2. הערכים צריכים להיות בין 100 ל- 1000 Ω. ההתנגדות יכולה לקרוא את קוד צבע ההתנגדות, או נמדד באמצעות מולטימטר דיגיטלי.

  1. הגדרת זווית #1 (Rקטן 2)
    1. הסר את קצר, אשר שימש בעבר במקום R2.
    2. חבר את ערך ההתנגדות הקטן עבור R2.
    3. הפעל את ה-VARIAC.
    4. התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג V החוצה עבור אותו מספר של מחזורים בסיסיים שנתפסו עבור Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
    5. מדוד את ה- Vהממוצע או הממוצע החוצה .
    6. התקרב בין נקודת ההפעלה SCR לנקודת ההפעלה הבאה של SCR. מדוד את הפרש השעות באמצעות סמני הטווח. הפוך עותק של צורת הגל.
    7. שמור את חיבור הגשושית הדיפרנציאלית וחיבורי מעגלים אחרים זהים לחלק הבא.
    8. כבה את ה-VARIAC. אין לפרק את המעגל או לשנות את הגדרת המתח VARIAC.
  2. הגדרת זווית #2 (Rקטן 2)
    1. החלף את R2 בנגד בעל הערך הגדול יותר.
    2. הפעל את ה-VARIAC.
    3. התאם את בסיס הזמן בטווח כדי להציג V החוצה עבור אותו מספר של מחזורים בסיסיים שנתפסו עבור Vב-. הפוך עותק של צורות הגל.
    4. מדוד את ה- Vהממוצע או הממוצע החוצה .
    5. התקרב בין נקודת ההפעלה SCR לנקודת ההפעלה הבאה של SCR. מדוד את הפרש השעות באמצעות סמני הטווח. הפוך עותק של צורת הגל. הערך הממוצע צריך להיות מה שמצופה ממשוואה זו:
      < V>=V0[1+cos(α)]/(2π) (1)
      שהוא קצת פחות ממחצית מתח השיא של הכניסה.
    6. כבה את ה-VARIAC. פירוק המעגל והחזר את הגדרת VARIAC לאפס.

תיריסטורים, הנקראים גם מרטיני סיליקון מבוקרים, או SCRs, הם התקנים אלקטרוניים המשמשים עמעומים אור, בקרי מהירות מנוע, ורגולטורים מתח. כמו דיודה, לתיריסטור יש אנודה וקתודה, והוא מתנהל בכיוון אחד בלבד. למעשה, הסמל הסכמטי עבור thyristor דומה דיודה, אבל עם מסוף שלישי המייצג את השער, אשר שולט בזרימה הנוכחית. עם זאת, בניגוד לדיודה, נדרשת פעימה זרםית קטנה לשער כדי להפעיל את התיריסטור כדי שהזרם הקדמי יוכל לזרום מאנודה לקתודה. התיריסטור מכבה אם זרם זה יורד מתחת לסף הבריח. במצב כבוי, ת'יריסטור חוסם את ההולכות בשני הכיוונים. היכולת להדליק ולכבות מאפשרת לתיריסטור לתקן, כלומר להעביר זרם של קוטביות אחת בלבד ולווסת את כמות כוח ה- AC ל- allode. וידאו זה ידגים כיצד לשלוט thyristor על ידי הפעלת השער בנקודות שונות במהלך מחזור AC.

תיריסטורים מורכבים מארבע שכבות לסירוגין של מוליכים למחצה מסוג P ו- N, היוצרים מבנה PNPN. הפניה אנודה מחוברת לחומר מסוג P בקצה אחד. הפניה הקתודה מחוברת לחומר מסוג N בקצה השני. והפניה לשער מחוברת לשכבת P-type ליד הקתודה. במעגל פשוט זה, עם מקור כוח AC בסדרה עם thyristor ועומס, קלט AC כשלעצמו לא יכול לנהוג thyristor לתוך הולכה קדימה. הזרם יכול לזרום מאנודה לקתודה רק לאחר פעימה נוכחית לשער מפעיל את המצב על. פעימה זו חייבת להתרחש בזמן מתח המקור הוא חיובי. אחרת, התיריסטור נשאר כבוי וחוסם את הזרם. תיריסטורים הם דו-יציבים, כלומר הם יכולים לנוח בשתי מדינות שונות. אז מצב הניצוח קדימה נמשך כל עוד מתח המקור חיובי, והזרם נמצא מעל סף הבריח. אם הזרם נופל מתחת לסף זה, התיריסטור נכנס למצב החסימה ונשאר במצב זה עד שהוא מופעל שוב. הפרשי הפאזה בין פעימת השער לבין חציית אפס של מקור AC סינוסואידלי הוא זווית הירי. לדוגמה, פעימת הדק באותו זמן כמו חציית האפס הראשונית יש זווית ירי של אפס מעלות, וכתוצאה מכך תיקון חצי גל מלא, כמו דיודה. במקרה זה, thyristor מעביר את כל האנרגיה מן החלק החיובי של המחזור לעומס. אם הדופק עולה בקנה אחד עם שיא מתח ה- AC, זווית הירי היא 90 מעלות, והעומס מקבל אנרגיה רק ממחצית המחזור החיובי. לבסוף, דופק במקביל למעבר אפס השלילי גורם לזווית ירי של 180 מעלות, ללא זרם נערך וללא אנרגיה מועברת כלל. מטרת הניסוי היא לחקור מעגל מימין תיריסטור המופעל בזוויות ירי שונות, ולהשוות את מתחי היציאה הממוצעים הנובעים מכך.

מכיוון שניסויים אלה משתמשים בכוח AC של 120 וולט, הימנע ממגע עם חוטים חשופים, אשר עלולים לגרום להתחשמלות ופציעה או מוות. אין לגעת בשום חלק של המעגל בזמן שהוא ממץ, ואל תקרקע את ה-VARIAC. לקבלת מידע נוסף על בטיחות חשמלית, אנא צפו בסרטון החינוך המדעי Jove "אמצעי זהירות וציוד בסיסי". ראשית, הגדר את האוסצילוסקופ על ידי חיבור הגשושית הסטנדרטית לערוץ אחד ואת הבדיקה הדיפרנציאלית לערוץ שני. הגדר את הבדיקה הדיפרנציאלית ל-1 מעל 20 הנחות. הגדר את ההגברה בתפריט האוסצילוסקופ לערוץ הבדיקה הדיפרנציאלי. השתמש 20x אם הוא זמין עבור בדיקה דיפרנציאלית. אחרת, השתמש 10x ולהכפיל כל מדידות oscilloscope. בטל כל היסט אוסצילוסקופ על-ידי חיתוך מסופי הבדיקה הדיפרנציאליים יחד והתאמת המיקום האנכי של העקבות לאפס וולט. במהלך ניסוי זה, VARIAC מספק מתח AC עם תדר קו של 60 הרץ. לפני התאמת ה-VARIAC, ודא שהוא כבוי ושום דבר לא מחובר לפלט. לאחר מכן סובב את ידית הבקרה לפלט של 15 אחוזים. חבר את כבל היציאה ל- VARIAC וחבר את מסופי הבדיקה ההיקפיים הדיפרנציאליים לתקעי הבננה של הכבל. הפעל את ה-VARIAC, התבונן בטופס הגל באוססילוסקופ והתאם את ה-VARIAC כך שהמשרעת של הפלט V0 היא 35 וולט. שנה את בסיס הזמן, כלומר מרווח הזמן לכל חלוקה אופקית של האוסצילוסקופ כדי להציג שניים עד חמישה מחזורי מתח. לכוד ושמור עותק של צורת גל זו ורשום בסיס זמן זה וייעד אותו TB0 לשימוש מאוחר יותר. לבסוף, בטל את ה- VARIAC ואל תשנה את ההגדרה שלו.

הניסוי הראשון הזה מפעיל מאמת תיריסטור עם זווית ירי של אפס מעלות. להרכיב את המעגל כפי שמוצג על לוח פרוטו. השתמש ב- VARIAC עבור מקור ה- AC הקלט V ב- . וקופצת תיל במקום נגד אר-2. חבר את הגשושית הסטנדרטית על-פני מתח הכניסה V פנימה, ולאחר מכן חבר את הגשושית הדיפרנציאלית על-פני נגד עומס R כדי לצפות במתח היציאה V החוצה. הפעל את ה- VARIAC והגדר את הטווח לבסיס הזמן TB0, שנרשם קודם לכן. מכיוון שזווית הירי היא אפס מעלות, התיריסטור פועל כמו דיודה, ומתח היציאה הוא גל סינוס חצי תיקון. השתמש בפונקציה המתמטית המובנית של הטווח כדי למדוד את מתח היציאה הממוצע. התאם את בסיס הזמן כדי להגדיל בין הנקודות כאשר התיריסטור נכבה, ולאחר מכן הפעל שוב. השתמש בסמני הטווח כדי למדוד הפרש זמן זה. כבה את ה-VARIAC ואל תשנה את הגדרת המתח. שמור את כל חיבורי VARIAC והטווח זהים לניסוי הבא.

כדי להשוות את התוצאות עם שתי זוויות ירי שונות שאינן אפס, הניסוי הבא יפעיל את thyristor עם קטן, אז התנגדות גדולה עבור R2. ההתנגדות היא, במקרה זה, 300 אוהם ו 620 אוהם. השתמש בהתנגדות הקטנה יותר כדי להפעיל את התיריסטור בזווית ירי קטנה. הסר את המגשר כי קצר R2. לאחר מכן הכנס את הנגד 300 אוהם במקומו. הפעל את ה-VARIAC והגדר את הטווח כ- TB0 בסיס זמן. זווית הירי כעת גדולה מאפס מעלות, וכתוצאה מכך, התיריסטור מופעל מאוחר יותר בחלק החיובי של מחזור AC. מדוד את מתח היציאה הממוצע כמתואר קודם לכן. לאחר מכן התקרב ומדוד את מרווח הזמן בין כאשר התיריסטור מכבה ובחזרה. כבה את ה-VARIAC. מבלי לשנות את ההגדרה VARIAC או חיבורים אחרים, החלף את R2 בנגד הגדול יותר וחזור על הבדיקה. לאחר השלמת הניסויים, כבה את ה-VARIAC, הגדר אותו לאפס ופרק את המעגל.

מתח היציאה של מעגל מימין התיריסטור הוא אפס עד שפעימת שער מפעילה את התיריסטור. לאחר ההפעלה, מתח היציאה הוא החלק הנותר של גל חצי תיקון. ככל שזווית הירי עולה, מתח היציאה קצוץ יותר בהשוואה לקלט, ולכן מתח היציאה הממוצע פוחת. כתוצאה מכך, זווית הירי קובעת את כמות הכוח שטוריסטור מעביר לעומס.

Thyristors יכול לשלוט בכמות הכוח שהועבר לעומס, והיו נפוצים ספקי כוח DC מתכווננים ישנים יותר. הם עדיין משמשים ביישומי בקרת AC בינוניים עד גבוהים רבים. ראשית, עמעום אור נפוץ המשמש בבתים ובמשרדים יש ידית או מחוון מאשר שולט פוטנציומטר, שהוא נגד משתנה. שינוי ההתנגדות משנה את זווית הירי של תיריסטור, ובהתאמה מגביר או מקטין את הכוח המאיר נורה. הפרשת קשת אנודית היא אמצעי מעשי ויעיל לסינתזה של צינורות פחמן וגרפן. מחקרים השתמשו בשדה מגנטי כדי לשפר את יכולת השליטה והגמישות של התהליך. הפריקה החשמלית ביישום זה דומה לזו של ריתוך קשת. ושניהם משתמשים בתיריסטורים במתח גבוה כדי לשלוט בכוח שיוצר את הקשת.

הרגע צפית במבוא של יובה לתיריסטור. עכשיו אתה צריך להבין איך thyristors לעבוד, וכיצד הם מאפשרים שליטה של כוח AC למכשירים חשמליים. תודה שצפיתם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Results

צורת גל מתח הכניסה AC קצוצה עד זווית הירי. קשרים חשובים של מתח היציאה הממוצע וזוויות ירי עבור מפלטני SCR שונים עם קלט Vב= V0 cos(ωt) הם:

• עומס SCR ו- R יחיד: <V>=V0[1+cos(α)]/(2π) (2)

• גשר SCR ועומס R: <V>= V0[1+cos(α)]/π (3)

• גשר SCR, עומס המקור הנוכחי: <V>= 2V0 cos(α)/π (4)

ככל שזווית הירי גדלה, המתח הממוצע או DC בפלט פוחת ככל שצורת גל מתח היציאה על פני העומס ההתנגדותי היא גרסה קצוצה של הקלט.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Applications and Summary

SCR של היו נפוצים ספקי כוח DC ישנים יותר שדרשו מתח יציאה DC משתנה מקלט AC. על ידי התאמת הנגד R2 במעגל הנ"ל, ניתן להתאים את ה- V הממוצע החוצהולתוצאות אספקת חשמל DC מתכווננת. SCRs אינם נפוצים יותר ב- DC ספקי כוח כפי שהם עוברים בתדר קו הכניסה (בדרך כלל 50 או 60 הרץ), וספקי מתח חדשים לעבור ב 10 s או 100 s של kHz מה שהופך את סינון מתח היציאה כדי לחלץ את רכיב DC הרבה יותר קל עם קבלים קטנים יותר. עם זאת, SCRs עדיין נפוצים ממירי מתח גבוה שבו תדירות המיתוג יכול להיות נמוך בתדר הקו מאז מתח גבוה רבים SCR של זרם גבוה זמינים בשוק.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Transcript

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the English version.

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter