Beuth Hochschule für Technik Berlin Fachbereich VI Informatik und Medien Labor für utomatisierungstechnik, B054 WiSe 2009/2010 Elektrische Systeme Labor (ESÜ29) Studiengang Technische Informatik Thyristor Datum hrzeit Versuchsleiter Name Vorname Matr.Nr. Teilnahmetestat Protokollabnahme Name Vorname Matr.Nr. Teilnahmetestat Name Vorname Matr.Nr. Teilnahmetestat Ziel des Versuchs: Messung des Zünd und Löschvorganges an einem Thyristor bei leichspannung sowie Ermittlung der Steuerkennlinie einer gesteuerten Einweggleichrichtung bei Wechselspannung. 1. Vorbemerkungen 1.1 Wirkungsweise und ufbau eines Thyristors (prinzipiell) Ein Thyristor ist eine steuerbare Diode, d.h. er stellt zunächst eine in beiden Spannungsrichtungen sperrende Diode dar, die aber bei in Durchlassrichtung anliegender Spannung durch einen Steuerstromimpuls "gezündet", d.h. durchlässig gemacht werden kann. Der einmal gezündete, also stromführende Thyristor kann nicht durch eine nsteuerung gelöscht werden, vielmehr setzt seine Sperrfähigkeit in Durchlassrichtung erst wieder ein, nachdem der Strom einen minimalen Wert, den Haltestrom I H, unterschritten hat. K n3 N I St P N I St n2 P n1 Bild 1: Prinzipieller ufbau und Ersatzschaltbild eines Thyristors Realisiert wird der Thyristor durch 4 Halbleiterschichten mit abwechselnder Dotierung (npnp), wobei die äußere pschicht die node, die äußere nschicht die Kathode ist. Die innere p Schicht trägt den Steueranschluss (ate). In Bild 1 ist ein Ersatzschaltbild des Thyristors dargestellt. Die anliegende Spannung ist dann in Durchlassrichtung, wenn = und K = gegeben ist, da dann die beiden Ersatzdioden n1 und n3 in Durchlassrichtung liegen und nur n2 sperrt. Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 1 von 7
Die Überwindung der Sperrfähigkeit dieser mittleren Ersatzdiode n2 erfolgt durch eine nsteuerung (Zündung) und der Selbsthalteeffekt ist durch ein Relais mit Selbsthaltekontakt dargestellt. Wird der Strom durch den Thyristor unter den Haltestrom abgesenkt und fließt kein Steuerstrom, so fällt das Relais ab, d.h. die mittlere Ersatzdiode n2 geht wieder in Sperrverhalten. us der Wirkungsweise des Thyristors geht hervor, dass er bei leichstrom nur durch Kunstgriffe gelöscht werden kann und dass er bei Wechselstrom in jeder Periode erneut gezündet werden muss. 1.2 Die Kennlinie des Thyristors Bild 2 zeigt das Kennlinienfeld eines Thyristors. Hier unterscheidet man zwischen Sperrbereich, Durchlassbereich und Blockierbereich. Die Kennlinie im Sperrbereich hat den gleichen Verlauf wie eine Diode. Die Durchlasskennlinie unterscheidet sich hiervon erheblich. Bei nterschreiten des Haltestromes geht der rbeitspunkt auf die Blockierkennlinie über. Wird der atestrom zu Null gemacht, so zündet der Thyristor bei Erreichen der maximalen Blockierspannung BT0 und der rbeitspunkt springt auf die Durchlasskennlinie. I F I B F Durchlasskennlinie Durchbruchspannung RBr Kippspannung BT (abhängig vom Steuerstrom) Nullkippspannung BT0 K I R Haltestrom I H Blockierkennlinie I B K Sperrkennlinie I R Bild 2: Kennlinienfeld eines Thyristors Wird der atestrom erhöht, so verringert sich die Blockierspannung kontinuierlich. Für sicheres Zünden in Durchlassrichtung ist ein bestimmter minimaler Steuerstrom erforderlich (etwa 1...10m). Da nach dem Zünden kein Steuerstrom mehr erforderlich ist, werden in der Praxis nur kurze Zündimpulse angelegt (Impulslänge etwa 10...100µs). 1.3 Der Thyristor zur nsteuerung im Wechselstromkreis Wird ein Thyristor in einen Wechselstromkreis geschaltet, so besteht während einer Halbwelle (wenn die Spannung am Thyristor in Durchlassrichtung liegt) die Möglichkeit, ihn zu zünden. Dabei übernimmt ein sogenannter Steuersatz die ufgabe, Zündimpulse zu erzeugen, die netzsynchron sind und jeweils einen einstellbaren Winkel (Steuerwinkel ) nach dem Spannungsnulldurchgang liegen. Bild 3 zeigt, wie durch Veränderung des Steuerwinkels die am Verbraucher liegende Spannung verändert werden kann. Für den Steuerwinkel = 0 ergibt sich ein Verhalten wie bei einer normalen Diode, für = 180 wird der Thyristor praktisch nicht gezündet Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 2 von 7
und der Verbraucher erhält keine Spannung. lle Betrachtungen gelten hier für ohmsche Last. Für jeden Steuerwinkel lässt sich ein arithmetischer Mittelwert d und ein geometrischer Mittelwert (Effektivwert) eff sowie ein Scheitelfaktor F s und ein Formfaktor F f ermitteln. z L Netz ~ 2. HW 1. HW n4 n1 RL n2 n3 gesteuerter leichrichter in Brückenschaltung 1.HW: n1, n2 zünden 2.HW: n3, n4 zünden z 2. HW RL ~ 1. HW gesteuerter leichrichter in Mittelpunktschaltung L 1. HW Netz ~ 2. HW RL Wechselstromsteller mit zwei Thyristoren (Triac) Bild 3 Bild 4 Die Darstellung der Spannungsmittelwerte über dem Steuerwinkel wird in der Literatur als Steuerkennlinie bezeichnet. Dabei werden die Spannungsmittelwerte in der Regel normiert, d.h. bezogen auf die maximalen Mittelwerte bei = 0, aufgetragen. In diesem Laborversuch werden die Steuerkennlinien wie folgt bezeichnet: d( ) S1( ) = d( = 0) eff( ) S2( ) = eff( = 0) Soll ein Verbraucher einen phasengeschnittenen Wechselstrom erhalten, so muss für jede Halbwelle ein Thyristor vorgesehen werden und ein Steuersatz zwei Zündimpulse erzeugen, die jeweils um 1/2 T versetzt sind (Wechselstromsteller). Bei leichrichterschaltungen unterscheidet man Mittelpunktschaltungen und Brückenschaltungen. Sind die Ventile als Thyristoren mit Steuersätzen ausgeführt, so kann dem Verbraucher eine gesteuerte leichspannung zugeführt werden (Bild 4). Für die Erzeugung der Zündimpulse, synchronisiert mit dem Netz und in der Phasenlage einstellbar, werden spezielle ICs eingesetzt (z.b. 145). Dabei werden die von den IC erzeugten Impulse über Zündübertrager (Zündtrafo), die eine npassung an die erforderlichen Steuerströme gestatten, an die Thyristoren gegeben. uf die besondere Problematik des Einsatzes von Thyristoren bei induktiven Lasten und für Wechselrichter (Zwangslöschung) wird hier ebenso wenig eingegangen wie auf das Thema der dynamischen Eigenschaften und der erforderlichen Schutzschaltungen von Thyristorschaltungen. Dies sind spezielle Themen der Leistungselektronik. Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 3 von 7
2. Versuch: Thyristortyp: TIC 106 D Brücke St I St S2 S1 I f 1MΩ K F R L = V = K Schaltbild 1: Versuchsaufbau 2.1 Ermittlung der erforderlichen Zündströme bei leichstrom Siehe Schaltbild 1! a) St = 0, K = 0, S1 schließen, S2 schließen (I St = 0) b) K einstellen, S1 schließen, P = 0 (Brücke geschlossen) c) I St langsam steigern (durch Vergrößern von St ) bis Zündung erfolgt d) S1 öffnen, S2 öffnen e) Punkte a) bis d) mehrmals wiederholen P 1 Messwerte: K in V 10 30 I St in µ 2.2 Ermittlung der Durchlasskennlinie und des Haltestromes Siehe Schaltbild 1! a) S1 und S2 öffnen, K = 20 V einstellen, P = 0 (Brücke geschlossen) b) S2 schließen und genügend großen Steuerstrom einstellen, S2 öffnen c) S1 schließen, Thyristor durch S2 zünden, S2 öffnen d) Werte für Durchlasskennlinie nach Protokoll messen, I F zunächst mit Lastwiderstand R L einstellen, ab 200 m mit Potentiometern P (Brücke öffnen) e) Haltestrom I H ermitteln mit Potentiometern P (Brücke öffnen) Messwerte: I F in m 1.800 1.400 800 400 200 100 50 20 10 5 F in V Haltestrom: I H = µ Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 4 von 7
2.3 Ermittlung der Steuerkennlinien für den arithmetischen und geometrischen Mittelwert bei gesteuerter Einweggleichrichtung ~ V ND 2 = = gn 15 V ND 15 V ~ 145 Steuersatz K ND rt gb bl gn K V V d eff 60W/42V Schaltbild 2: esteuerte Einweggleichrichtung a) Schaltung nach Schaltbild 2 aufbauen b) Oszilloskop anschließen: Kanal : Kanal B: Signal gegen ND Signal K gegen ND Triggerung mit Kanal, DC, Slope, Level 0 Zeitablenkung einstellen auf 1 DIV = 20 rad el. c) Spannung d und eff für die Steuerwinkel nach Protokoll messen ( ~ mit Stelltrafo konstant halten) Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 5 von 7
Messprotokoll: Steuerwinkel ~ =const. [V] d [V] eff [V] F f S1 = f() S2 = f() 0 40 10 40 20 40 30 40 * 40 40 50 40 60 40 70 40 80 40 * 90 40 100 40 110 40 120 40 * 130 40 140 40 150 40 160 40 170 40 180 40 Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 6 von 7
3. uswertungen Zu verwendende Formeln: d π 1 = Û sin d 2π eff π 1 2 2 = Û sin d 2π F f = S1 S2 eff d ( ) = ( ) = d( ) d ( = 0) eff( ) eff ( = 0) 3.1 Protokoll zu 2.3. durch Rechenwerte ergänzen 3.2 Durchlasskennlinie I F = f ( F ) graphisch darstellen 3.3 Diagramm mit den beiden Steuerkennlinien S1() und S2() graphisch darstellen (siehe 1.3.) 3.4 Diagramm F f () graphisch darstellen 3.5 Kontrollrechnungen durchführen a) Für die im Messprotokoll mit * gekennzeichneten Messpunkte sind ausführliche Kontrollrechnungen durchzuführen, und zwar für d, eff, F f, S1() und S2(). b) Vorher sind die Integrale d( ) = f(, ) und eff( ) = f(, ) zu lösen und in eine technisch verwendbare Formel zu bringen. Der Lösungsweg muss erkennbar sein! Thyristor.doc Nur für Lehrzwecke Seite 7 von 7