Raddrizzatore a tiristore

Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.

Simili ai diodi, i tiristori, chiamati anche raddrizzatori controllati dal silicio (SCR), passano la corrente in una direzione dall'anodo al catodo e bloccano il flusso di corrente nell'altra direzione. Tuttavia, il passaggio della corrente può essere controllato attraverso un terminale "gate", che richiede un piccolo impulso di corrente per accendere il tiristore in modo che possa iniziare a condurre.

I tiristori sono dispositivi a quattro strati, composti da strati alternati di materiale di tipo n e di tipo p, formando così strutture PNPN con tre giunzioni. Il tiristore ha tre terminali; con l'anodo collegato al materiale di tipo p della struttura PNPN, il catodo collegato allo strato di tipo n e il cancello collegato allo strato di tipo p più vicino al catodo.

L'obiettivo di questo esperimento è studiare un raddrizzatore a semionde basato su tiristori controllati in condizioni diverse e capire come i diversi tempi dell'impulso di gate influenzano la tensione di uscita CC.

Il tiristore conduce solo nelle stesse condizioni di un diodo, oltre alla condizione di avere un impulso di gate per innescare il processo di conduzione. Ad esempio, se una sorgente AC è collegata in serie con un tiristore e un carico resistivo, il semicicro di positivo della sorgente non è sufficiente per inoltrare la polarizzazione del tiristore; il tiristore rimarrà polarizzato inverso o spento fino a quando non verrà applicato un impulso di gate. Inizierà quindi a condurre durante quel mezzo ciclo. Quindi, il tiristore ha tre terminali, l'anodo (A), il catodo (K) e il cancello (G). Gli impulsi del gate sono generati da circuiti "gate drive" che guidano la corrente nel gate. Il ritardo tra lo zero della sorgente CA che attraversa il comando dell'impulso del gate è definito "angolo di sparo" che è un angolo elettrico.

La Fig.1 mostra un semplice circuito raddrizzatore a tiristori a mezza onda con un circuito di generazione di impulsi (R₁, R₂, D₁, D₂ e C) che genera impulsi di corrente al cancello del tiristore. Quando l'impulso è disponibile e viene "sparato" ad un angolo di sparo che è un certo periodo di ritardo dall'incrocio zero della tensione di ingresso V_in, il tiristore agisce come un diodo in termini di corrente di passaggio in una direzione. Una volta che la corrente va a zero e l'impulso di gate non è disponibile, il tiristore rimarrà spento fino a quando la corrente non sarà di nuovo positiva e non verrà attivato un impulso di gate.

In questo esperimento, studieremo un raddrizzatore a mezza onda basato su tiristori controllati a diversi angoli di cottura. Le tensioni di uscita medie per diversi angoli vengono confrontate per studiare l'effetto del controllo del tempo di svolta sulla tensione media di uscita CC.

Figura 1: Raddrizzatore a mezza onda con SCR e carico resistivo.

ATTENZIONE: Durante questo esperimento, non toccare nessuna parte del circuito mentre è eccitato. NON mettere a terra il VARIAC.

Per questo esperimento, il trasformatore variabile (VARIAC) a bassa frequenza di 60 Hz e picco di 35 V viene utilizzato come sorgente CA principale.

1. Configurazione

1. Prima di iniziare, collegare la sonda differenziale a un canale dell'oscilloscopio.
   1. Impostare il pulsante sulla sonda differenziale su 1/20 (o 20X) di attenuazione.
2. Nel menu del canale dell'oscilloscopio, impostare la sonda in modo che sia a 10X, a meno che non sia disponibile 20X per la sonda differenziale. Se si prescie 10X, moltiplicare manualmente le misurazioni o i risultati per due per raggiungere il 20X desiderato.
3. Per configurare variaC, assicurarsi che l'uscita VARIAC (simile a una normale presa) non sia collegata ad alcun cavo.
   1. Tenere il VARIAC OFF e assicurarsi che la sua manopola sia impostata su zero.
   2. Regolare lentamente la manopola VARIAC a circa il 15% di uscita.
4. Prima di collegare la sonda differenziale al circuito, legare insieme i terminali della sonda e regolare la forma d'onda misurata sullo schermo per mostrare la tensione di offset zero.
5. Collegare il cavo di uscita al VARIAC e la sonda di tensione differenziale attraverso i tappi a banana di uscita VARIAC.
   1. Accendere il VARIAC.
   2. Regolare leggermente il VARIAC per ottenere un picco di 35 V.
6. Prendi una copia di V_da usare come riferimento. Mostra da due a cinque cicli fondamentali.
7. Spegnere VARIAC. Non regolare l'impostazione della manopola per il resto dell'esperimento.

2. Circuito SCR raddrizzatore a mezza onda con carico resistivo e angolo di cottura zero

1. Il componente raddrizzatore principale è l'SCR (S), che è un TYN058. Il resistore di carico (R) è di 51 Ω. Il circuito di controllo SCR è racchiuso nella scatola tratteggiata della Fig. 1.
2. Il circuito di controllo utilizza diodi (1N4004), un resistore da 1 kΩ (R₁), un resistore di controllo che viene modificato manualmente (R₂) e un condensatore ceramico (senza polarità) da 1 μF (C).
   1. Assicurarsi che le polarità SCR e diodi siano corrette. Il trattino sul diodo è sul catodo mentre l'assegnazione del pin SCR è mostrata in Fig. 2.
3. Sulla scheda proto, costruisci il circuito mostrato in Fig. 1. Utilizzare un cortocircuito invece di R₂.
4. Collegare la sonda di tensione differenziale attraverso il resistore di carico per osservare la tensione di uscita, V_out.
5. Accendere il VARIAC.
6. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare V_per lo stesso numero di cicli fondamentali acquisiti per V_in. Crea una copia delle forme d'onda.
   1. Misurare la media o la media V_out.
   2. Eseguire lo zoom avanti tra il punto di svolta SCR e il successivo punto di svolta SCR. Misurare la differenza di fuso orario utilizzando i cursori dell'ambito. Crea una copia della forma d'onda.
7. Mantenere la connessione della sonda differenziale e le altre connessioni del circuito uguali per la parte successiva.
8. Spegnere il VARIAC. NON modificare l'impostazione della tensione VARIAC.

Figura 2: Assegnazione dei pin dell'SCR.

3. Circuito SCR raddrizzatore a mezza onda con carico resistivo e angolo di sparo diverso da zero

Due diversi resistori saranno utilizzati come R₂. I valori devono essere compresi tra 100 e 1000 Ω. La resistenza può leggere il codice colore della resistenza o misurata con un multimetro digitale.

1. Impostazione dell'angolo #1 (piccolo R₂)
   1. Rimuovere il cortocircuito, che è stato precedentemente utilizzato al posto di R₂.
   2. Collegare il piccolo valore di resistenza per R₂.
   3. Accendere il VARIAC.
   4. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare V_out per lo stesso numero di cicli fondamentali acquisiti per V_in. Crea una copia delle forme d'onda.
   5. Misurare la media o la media V_out.
   6. Eseguire lo zoom avanti tra il punto di svolta SCR e il successivo punto di svolta SCR. Misurare la differenza di fuso orario utilizzando i cursori dell'ambito. Crea una copia della forma d'onda.
   7. Mantenere la connessione della sonda differenziale e le altre connessioni del circuito uguali per la parte successiva.
   8. Spegnere il VARIAC. NON smontare il circuito o modificare l'impostazione della tensione VARIAC.
2. Impostazione dell'angolo #2 (piccolo R₂)
   1. Sostituire R₂ con il resistore di valore maggiore.
   2. Accendere il VARIAC.
   3. Regolare la base temporale sull'ambito per visualizzare V_out per lo stesso numero di cicli fondamentali acquisiti per V_in. Crea una copia delle forme d'onda.
   4. Misurare la media o la media V_out.
   5. Eseguire lo zoom avanti tra il punto di svolta SCR e il successivo punto di svolta SCR. Misurare la differenza di fuso orario utilizzando i cursori dell'ambito. Crea una copia della forma d'onda. Il valore medio dovrebbe essere quello che ci si aspetta da questa equazione:
      < V_out>=V₀[1+cos(α)]/(2π) (1)
      che è poco meno della metà della tensione di picco dell'ingresso.
   6. Spegnere il VARIAC. Smontare il circuito e riportare a zero l'impostazione VARIAC.

La forma d'onda della tensione di ingresso CA viene tagliata fino all'angolo di cottura. Importanti relazioni tra la tensione media di uscita e gli angoli di sparo per diversi raddrizzatori SCR con ingresso V_in= V₀ cos(ωt) sono:

• Carico SINGOLO SCR e R: <V_out>=V₀[1+cos(α)]/(2π)(2)

• Ponte SCR e carico R: <V_out>= V₀[1+cos(α)]/π (3)

• Ponte SCR, carico sorgente corrente: <V_out>=2V₀ cos(α)/π (4)

All'aumentare dell'angolo di sparo, la tensione media o CC all'uscita diminuisce poiché la forma d'onda della tensione di uscita attraverso il carico resistivo è una versione ridotta dell'ingresso.

Gli SCR erano comuni negli alimentatori CC più vecchi che richiedevano una tensione di uscita CC variabile da un ingresso CA. Regolando il resistore R₂ nel circuito di cui sopra, è possibile regolare la V media in_uscitae quindi ottenere risultati di alimentazione DC regolabili. Gli SCR non sono più comuni negli alimentatori CC in quanto commutano alla frequenza della linea di ingresso (in genere 50 o 60 Hz) e i nuovi alimentatori commutano a 10 s o 100 s di kHz, il che rende molto più facile filtrare la tensione di uscita per estrarre il componente CC con condensatori più piccoli. Tuttavia, gli SCR sono ancora comuni negli inverter ad alta tensione in cui la frequenza di commutazione può essere bassa alla frequenza di linea poiché molti SCR ad alta tensione e alta corrente sono disponibili sul mercato.