Raddrizzatore a tiristore

I tiristori, chiamati anche raddrizzatori controllati dal silicio o SCR, sono dispositivi elettronici utilizzati nei dimmer di luce, nei regolatori di velocità del motore e nei regolatori di tensione. Come un diodo, un tiristore ha un anodo e un catodo e conduce in una sola direzione. In effetti, il simbolo schematico per un tiristore assomiglia a un diodo, ma con un terzo terminale che rappresenta il cancello, che controlla il flusso di corrente. A differenza di un diodo, tuttavia, è necessario un piccolo impulso di corrente nel cancello per accendere il tiristore in modo che la corrente in avanti possa fluire dall'anodo al catodo. Il tiristore si spegne se questa corrente in avanti scende al di sotto di una soglia di bloccaggio. Nello stato off, un tiristore blocca la conduzione in entrambe le direzioni. La possibilità di accendere e spegnere consente al tiristore di rettificare, cioè di passare corrente di una sola polarità e regolare la quantità di potenza CA allode. Questo video dimostrerà come controllare un tiristore attivando il cancello in vari punti durante un ciclo AC.

I tiristori sono composti da quattro strati alternati di semiconduttori di tipo P e N, che formano una struttura PNPN. Il cavo anodico è collegato al materiale di tipo P a un'estremità. Il cavo catodico è collegato al materiale di tipo N all'altra estremità. E il cavo del gate è collegato allo strato di tipo P accanto al catodo. In questo semplice circuito, con una fonte di alimentazione CA in serie con il tiristore e un carico, l'ingresso CA da solo non può guidare il tiristore in conduzione in avanti. La corrente può fluire dall'anodo al catodo solo dopo che un impulso di corrente al gate innesca lo stato on. Questo impulso deve verificarsi mentre la tensione della sorgente è positiva. Altrimenti, il tiristore rimane spento e blocca la corrente. I tiristori sono bi-stabili, il che significa che possono riposare in due stati diversi. Quindi la modalità di conduzione in avanti persiste finché la tensione della sorgente è positiva e la corrente è al di sopra della soglia di bloccaggio. Se la corrente scende al di sotto di questa soglia, il tiristore entra nella modalità di blocco e rimane in quello stato fino a quando non viene nuovamente attivato. La differenza di fase tra l'impulso di gate e l'incrocio zero di una sorgente AC sinusoidale è l'angolo di sparo. Ad esempio, un impulso di innesco contemporaneamente all'incrocio iniziale dello zero ha un angolo di accensione di zero gradi, con conseguente rettifica completa a mezza onda, come un diodo. In questo caso, il tiristore passa tutta l'energia dalla parte positiva del ciclo al carico. Se l'impulso coincide con il picco della tensione CA, l'angolo di cottura è di 90 gradi e il carico riceve energia solo da metà del ciclo positivo. Infine, un impulso contemporaneamente all'incrocio dello zero negativo si traduce in un angolo di sparo di 180 gradi, senza corrente condotta e senza alcuna energia trasferita. L'obiettivo di questo esperimento è quello di studiare un circuito raddrizzatore a tiristori attivato a diversi angoli di sparo e di confrontare le tensioni di uscita medie risultanti.

Poiché questi esperimenti utilizzano alimentazione CA a 120 volt, evitare il contatto con fili esposti, che possono causare folgorazione e lesioni o morte. Non toccare nessuna parte del circuito mentre è energizzato e non mettere a terra il VARIAC. Per ulteriori informazioni sulla sicurezza elettrica, si prega di guardare il video di Jove Science Education "Precauzioni di sicurezza e attrezzature di base". Innanzitutto, impostare l'oscilloscopio collegando la sonda dell'oscilloscopio standard a un canale e la sonda differenziale a un secondo canale. Configurare la sonda differenziale su un'attenuazione superiore a 20. Impostare l'amplificazione nel menu dell'oscilloscopio per il canale della sonda differenziale. Utilizzare 20x se è disponibile per la sonda differenziale. Altrimenti, utilizzare 10x e raddoppiare le misurazioni dell'oscilloscopio. Annullare qualsiasi offset dell'oscilloscopio tagliando insieme i terminali della sonda differenziale e regolando la posizione verticale delle tracce a zero volt. Durante questo esperimento, il VARIAC fornisce tensione CA con una frequenza di linea di 60 hertz. Prima di regolare il VARIAC, assicurarsi che sia spento e che nulla sia collegato all'uscita. Quindi ruotare la manopola di controllo al 15% di uscita. Collegare il cavo di uscita al VARIAC e collegare i terminali della sonda dell'oscilloscopio differenziale alle spine a banana del cavo. Accendere il VARIAC, osservare la forma d'onda sull'oscilloscopio e regolare il VARIAC in modo che l'ampiezza della sua uscita V0 sia di 35 volt. Modificare la base temporale, ovvero l'intervallo di tempo per divisione orizzontale dell'oscilloscopio per visualizzare da due a cinque cicli di tensione. Acquisire e salvare una copia di questa forma d'onda e registrare questa base temporale e designarla TB0 per un uso successivo. Infine, disattivare variaC e non modificarne l'impostazione.

Questo primo esperimento innesca un raddrizzatore a tiristori con un angolo di tiro di zero gradi. Assemblare il circuito come mostrato su una proto-scheda. Utilizzare variaC per l'ingresso della sorgente CA V in. E un ponticello a filo al posto del resistore R2. Collegare la sonda standard attraverso la tensione di ingresso V in ingresso, quindi collegare la sonda differenziale attraverso il resistore di carico R per osservare la tensione di uscita V in uscita. Attivare VARIAC e impostare l'ambito su TB0 di base temporale, registrato in precedenza. Poiché l'angolo di sparo è di zero gradi, il tiristore agisce come un diodo e la tensione di uscita è un'onda sinusoidale semi-rettificata. Utilizzare la funzione matematica integrata nell'oscilloscopio per misurare la tensione di uscita media. Regola la base temporale per ingrandire tra i punti quando il tiristore si spegne, quindi si riaendi. Utilizzare i cursori dell'ambito per misurare questa differenza di fuso orario. Spegnere il VARIAC e non modificare l'impostazione della tensione. Mantenere tutte le connessioni VARIAC e scope uguali per l'esperimento successivo.

Per confrontare i risultati con due diversi angoli di sparo diversi da zero, il prossimo esperimento attiverà il tiristore con una piccola, quindi una grande resistenza per R2. Le resistenze sono, in questo caso, 300 ohm e 620 ohm. Usa la resistenza più piccola per innescare il tiristore con un piccolo angolo di sparo. Rimuovere il ponticello che ha cortocircuitato R2. Quindi inserire il resistore da 300 ohm al suo posto. Attivare VARIAC e impostare l'ambito su TB0 di base temporale. L'angolo di sparo è ora maggiore di zero gradi e, di conseguenza, il tiristore viene attivato più tardi nella parte positiva del ciclo AC. Misurare la tensione di uscita media come descritto in precedenza. Quindi ingrandire e misurare l'intervallo di tempo tra quando il tiristore si spegne e si riacca. Spegnere il VARIAC. Senza modificare l'impostazione VARIAC o altre connessioni, sostituire R2 con il resistore più grande e ripetere il test. Al termine degli esperimenti, spegnere il VARIAC, impostarlo a zero e smontare il circuito.

La tensione di uscita del circuito raddrizzatore del tiristore è zero fino a quando un impulso di gate non attiva il tiristore. Dopo l'attivazione, la tensione di uscita è la parte rimanente di un'onda semi-rettificata. All'aumentare dell'angolo di sparo, la tensione di uscita è più ridotta rispetto all'ingresso e quindi la tensione media di uscita diminuisce. Di conseguenza, l'angolo di sparo determina la quantità di potenza che un tiristore passa al carico.

I tiristori possono controllare la quantità di energia trasferita a un carico ed erano comuni nei vecchi alimentatori CC regolabili. Sono ancora utilizzati in molte applicazioni di controllo dell'alimentazione CA a media e alta tensione. In primo luogo, i comuni dimmer di luce utilizzati nelle case e negli uffici hanno una manopola o un cursore che controlla un potenziometro, che è un resistore variabile. La modifica della resistenza cambia l'angolo di sparo di un tiristore e di conseguenza aumenta o diminuisce la potenza che illumina una lampadina. La scarica ad arco anodico è un mezzo pratico ed efficiente per sintetizzare nanotubi di carbonio e grafene. Le ricerche hanno utilizzato un campo magnetico per migliorare la controllabilità e la flessibilità del processo. La scarica elettrica in questa applicazione è simile a quella della saldatura ad arco. Ed entrambi usano tiristori ad alta tensione per controllare la potenza che crea l'arco.

Hai appena visto l'introduzione di Jove ai raddrizzatori a tiristori. Ora dovresti capire come funzionano i tiristori e come consentono il controllo dell'alimentazione CA ai dispositivi elettrici. Grazie per l'attenzione.