ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА: Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА№6 Экспериментальное определение основных характеристик тиристоров ТЕОРИЯ Тиристор   ­   это   полупроводниковый   прибор   с   тремя   и   более   p­n­ переходами,   на   ВАХ   которого   имеется   участок   с   отрицательным дифференциальным   сопротивлением.   Тиристор   представляет   собой электронный   ключ,   который   может   находиться   в   двух   устойчивых состояниях:   открытом   и   закрытом.   По   количеству   выводов   различают диодный тиристор (динистор), обладающий двумя выводами (анод и катод), триодный   тиристор  (тринистор),   имеющий   три   вывода   ­   анод,   катод   и управляющий электрод, тетродный тиристор (симистор), имеющий четыре вывода и т. д. Обычно тиристоры изготавливают из кремния. В открытом состоянии тиристор хорошо проводит электрический ток, а в закрытом состоянии его сопротивление велико, соизмеримо с сопротивлением кремниевого диода при обратном напряжении. Поэтому ток через закрытый тиристор ничтожно мал. Основное назначение тиристора – безобрывная (электронная) коммутация электрических цепей. Тиристор имеет  структуру  p­n­p­n, т.е. имеет  3  p­n­ перехода.  Он имеет 3 вывода, называемые ­ анод, катод и управляющий электрод. Рассмотрим   работу   диодного   и   триодного   тиристора.   На   рис.   1 приведены   структурные   схемы   тиристоров.  Объемы   полупроводников, прилегающие   к   выводам   катода   (К)   и   анода   (А)   называются соответственно   первым     и   вторым   эмиттерами,   к   первому   эмиттеру прилегает первая база, ко второму ­ вторая база. 1 R П1 П2 П3 А Э2 Б2 Б1 р2 n2 р1 Э1 n1 IУ УЭ K Еа А R Э2 Б2 Б1 р2 n2 р1 Э1 n1 П1 П2 П3 IУ УЭ K Еа Рис.1. Структуры тиристоров В тиристоре различают первый (П1) и второй (П3) эмиттерные переходы, средний переход называется коллекторным (П2), а управляющий электрод Уэ – со слоем P1 или N2. На рис. 2 показана возможная схема включения   триодного тиристора. Положительное   относительно   катода   напряжение  Ua  подается   на   анод,   а управляющее   напряжение  Uy  –   на   управляющий   электрод.   При   такой полярности внешнего напряжения коллекторный переход П2 оказывается под обратным напряжением, а эмиттерные переходы П1и П3 ­ под прямым. Ток через П2, а следовательно, и ток тиристора равен I  I I I КП 1 2 I K 0 , где  1  и  2  коэффициенты передачи эмиттеров. Откуда: I  1 KI 0   1 .             (1) 2 Учитывая,   что   ток   зависит   от   обратного   напряжения   на коллекторном   переходе,   а   коэффициенты     ­   от   тока  I,   формула   (1) 2 0KI представляет собой уравнение ВАХ тиристора в неявной форме (рис.3.). При положительном напряжении на аноде (участок ОБ) через тиристор протекает очень маленький Ua П1 П2 П3 Р2 N2 P1 N1 К RH Ea УЭ Iу Eу Рис.2 Возможная схема включения тиристора. 0KI ток     ­ тепловой ток П2, равный нескольким десяткам микроампер). Это объясняется тем, что почти все внешнее напряжение падает на закрытом П2, передачи   1   и   прямые   токи   П1   и   П3   очень   малы   и   лишь   незначительно   превышают   их тепловые   токи.   Кроме   того,   при   таких   токах   эмиттеров   коэффициенты 2   очень малы (обычно не более 0,1...0,2). С повышением 0KI ,   При   этом   увеличиваются напряжения   на   аноде   увеличивается   ток  I  (за   счет   обратного   тока   зависящего   от   внешнего   напряжения). коэффициенты   передачи   эмиттеров   и   растет   инжекция   носителей   заряда. Электроны, инжектируемые Э1 через коллекторный переход попадают в базу Б2, которая является своеобразной “ловушкой” для них. В базе Б2 возрастает неравновесный отрицательный заряд, снижающий ее потенциал, что, в свою очередь, увеличивает инжекцию дырок из Э2. Эти дырки, попадая через П2 в базу   Б1   увеличивают   в   ней   неравновесный   положительный   заряд   (база является “ловушкой” для дырок) и, следовательно, инжекцию электронов из Э1.  Таким   образом,  в  тиристоре   возникает   положительная  обратная  связь, 3 которая   приводит   к   увеличению   анодного   тока  I.  Следует   отметить,   что определенную   роль   в   увеличении   тока  I  может   играть   механизм   ударной ионизации   и   лавинного   размножения   носителей   заряда   в   закрытом коллекторном переходе. Рис.3. ВАХ тиристора при различных токах на управляющем электроде. Пока   суммарный   коэффициент    1  2 1 ,   тиристор   находится   в закрытом состоянии (участок ОБ рис.3.). По мере приближения напряжения к некоторой   величине  UВКЛ  значение   переключение тиристора.   стремится   к   1   и   начинается 1  2 Дальнейшее зависит от условий измерений: 1.   Если   напряжение  UА  подается   от   генератора   напряжения   (т.е. источника питания с малым внутренним сопротивлением) анодный ток I будет неограниченно возрастать [1­ прибор выйдет из строя.   в выражении (1) стремится к нулю] и 1  2 2. Если в эксперименте используется генератор тока (т.е. источник тока с большим внутренним сопротивлением), то можно получить характеристику 4 (на   участке  АВ)   с   отрицательным   дифференциальным   сопротивлением (участок  СВ).   На   этом   участке   малому   увеличению   тока   будет соответствовать   сильное   уменьшение   напряжения   на   тиристоре.   Такая сильная   зависимость   обусловлена   рассмотренной   ранее   положительной обратной связью, которая при [1­ уменьшение   напряжения   происходит   за   счет   компенсации   зарядов   ионов доноров   и   акцепторов   в   коллекторном   переходе   электронами   и   дырками,  0] очень глубокая. Физически 1  2   ≈ накапливающимися   в   базах   тиристора   вблизи   перехода.   Толщина коллекторного   перехода   уменьшается   и   потенциальный   барьер   в   нем, определяющий   напряжение   на   тиристоре,   уменьшается.   При   достижении точки  С  все   три   перехода   тиристора   оказываются   смещенными   в   прямом направлении,   и   тиристор   открывается   (напряжение  UА>>1В).   Вид   ВАХ   на участке  СА  (открытого   тиристора)   в   основном   определяется   объемными сопротивлениями эмиттерных и базовых областей тиристора.  3. На практике обычно применяют источник напряжения с внутренним сопротивлением  R  намного меньшим, чем отрицательное дифференциальное сопротивление   тиристора   на   участке  BС.   При   этом   переключение   из закрытого состояния в открытое произойдет скачкообразно, как изображено на   рисунке   3   (работает   положительная   обратная   связь).   Аналогично произойдет и выключение тиристора при уменьшении напряжения. Точке  С соответствует   ток  IУД  ­   удерживающий   ток   тиристора,   то   есть минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния тиристора. При подаче отрицательного напряжения на анод тиристора относительно катода   коллекторный   переход   оказывается   смещенным   в   прямом направлении,   а   эмиттерные   переходы   П1   и   П2   ­   в   обратном.   Ток   через 5 тиристор мал. При больших отрицательных напряжениях  может произойти пробой эмиттерных переходов, однако, этот режим является нерабочим. Триодный тиристор отличается от диодного тем, что одна из баз имеет внешний вывод, который называют управляющим электродом (рис. 1). При наличии в цепи управляющего электрода тока IУ ток через эмиттерный переход   П1   увеличивается,   следовательно   условие   перехода   тиристора   из закрытого состояния в открытое  напряжения   включения  UВКЛ  1  (рис.3).   Таким   образом,   изменяя   ток 2 >>1, будет достигаться при меньшем управляющего электрода IУ можно изменять величину напряжения включения UВКЛ. Основными параметрами динистора являются:  − напряжение прямого переключения Uвкл; − допустимое обратное напряжение Uобр; − остаточное напряжение  Uос, напряжение на открытом тиристоре, при номинальном токе; − номинальный ток нагрузки Iн; −   минимальный   ток   удержания  Iудер,   значение   тока,   меньше   которого средний n­p­переход закрывается; − ток утечки Iут, соответствующий прямому напряжению Uвкл /2; − время включения τвкл  ≈  10­30 мкс; − время выключения τвыкл  ≈  20­30 мкс; − РOСmax – максимальная рассеиваемая мощность в открытом состоянии. 6 Триодный тиристор имеет все те же параметры, что и динистор. Кроме того, его параметрами являются:  − номинальный управляющий ток Iу.ном; − номинальное управляющее напряжение Uупр; −   ток   спрямления  Iспр,   представляющий   собой   управляющий   ток,   при котором напряжение прямого переключения становится равным остаточному напряжению открытого тиристора Uос.  В настоящее время для управления мощностью переменного тока широко используют  симисторы,   у   которых   вольтамперная   характеристика одинакова в I и III квадрантах, т.е. является симметричной. Это   достигается   встречно­параллельным   включением   двух   одинаковых четырехслойных   структур   или   применением   специальных   пятислойных структур с четырьмя p­n­переходами. Промышленностью   выпускаются   тиристоры   на   токи   1­2000А   и напряжения   включения   100­4000В,   широко   применяемые   в   управляемых выпрямителях   и   инверторах.   Тиристоры   находят   широкое   применение   в радиосвязи, радиолокации, устройствах автоматики как управляющие ключи. Основным   достоинством   тиристоров,   по   сравнению   с   биполярными транзисторами, является возможность переключения короткими импульсами тока   управляющего   электрода   (меньшее   потребление   энергии   в   цепи управления). К недостаткам тиристоров следует отнести значительно большие времена переключения (единицы миллисекунд ­ сотни микросекунд). Общие сведения 7 Тиристоры   ­   переключающие   полупроводниковые   приборы,   имеющие четырёхслойную структуру. Они имеют два устойчивых состояния: открытое (проводящее)   и   закрытое   (непроводящее).   Они   выпускаются   с   двумя   или тремя   выводами.   В   первом   случае   они   называются   динисторами   (или диодными   тиристорами)   во   втором   ­тринисторами   (триодными   или управляемыми   тиристорами).   Их   условные   обозначения   показаны   на   рис. 2.10.1.   Выводы   обозначаются:   А   ­   анод,   К   ­   катод,   УЭ   ­   управляющий электрод.   Производятся   также   симметричные   динисторы   и   тиристоры (симисторы),   которые   могут   проводить   ток   в   обоих   направлениях   и эквивалентны   двум   динисторам   или   тиристорам,   соединённым   встречно   ­ параллельно.                                                          Рис. 4 Четырёхслойная структура динистора представлена на рис.2.10.2а. Для уяснения принципа действия четырёхслойный прибор можно представить как два трёхслойных прибора (рис. 2.10.26) или два транзистора, соединённых как показано на рис. 2.10.2 в. 8 Рис. 5 При прямом приложенном напряжении, показанном на рисунках, левый и правый  p­n  переходы открыты, а средний закрыт. Через тиристор протекает лишь   незначительный   ток   неосновных   носителей   (рис.   2.10.2г).   По   мере увеличения прямого напряжения энергия носителей заряда, проходящих через запертый n1­p2 увеличивается и при некотором напряжении (б'вкл) возникает ударная ионизация атомов полупроводника в зоне щ ­ рг перехода, ток резко возрастает,   два   транзистора   (рис.   2.10.2в)   открываются,   напряжение   на тиристоре   резко   падает,   и   он   переходит   в   открытое   состояние.   Вольт­ амперная   характеристика   открытого   тиристора   аналогична   вольт­амперной характеристике   диода.   При   снижении   тока   тиристор   остаётся   в   открытом состоянии   до   некоторого   небольшого   тока,   называемого   током   удержания (/уд). Он несколько меньше тока включения, показанного на рис. 2.10.2г. Управляемые   тиристоры   имеют   кроме   основных   выводов   «Анод»   и «Катод» третий вывод «Управляющий электрод». Он показан на рис. 2.10.2в пунктиром. Подавая на него импульс тока положительной  полярности, мы принудительно   открываем   один   из   транзисторов,   второй   транзистор   также 9 открывается,   так   как   через   его   базу   начинает   протекать   ток   коллектора другого транзистора. Напряжение включения уменьшается, как показано на рис. 2.10.2г пунктиром. При токе управления, превышающем открывающий  0ткр.   у)   вольт­амперная   характеристика   тиристора ток   управления   (/ полностью аналогична характеристике диода. Важно, что управляемый тиристор остаётся во включенном состоянии и после снятия управляющего тока. Он выключается только при снижении тока через   него   ниже   тока   удержания.   Причём,   для   того   чтобы   тиристор   не включился   самопроизвольно   при   следующей   подаче   на   него   прямого напряжения, он должен находиться в выключенном состоянии определённое время,   называемое   временем   восстановления   запирающих   свойств.   Кроме того, скорость нарастания анодного напряжения не должна превышать  для данного типа тиристоров допустимую величину. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Задание Снять   статические   вольт­амперные   характеристики   динистора, управляемого   тиристора   и   триодного   симистора.   Определить   напряжение включения   динистора,   минимальные   открывающие   ток   тиристора   и симистора, токи удержания. Порядок выполнения эксперимента 1. Соберите цепь для снятия вольт­амперной характеристики динистора согласно схеме (рис. 6). 2. Плавно увеличивая напряжение регулируемого источника напряжения, определите напряжение включения динистора (это наибольшее напряжение, при котором ток еще равен нулю, при дальнейшем увеличении напряжения источника   ток   возрастает   скачком,   а   напряжение   на   динисторе   скачком уменьшается). Запишите значение Uвкл в табл. 2.10.1. 10 Рис. 6 3. Плавно уменьшая напряжение регулируемого источника напряжения, определите   ток   удержания   динистора  (это   наименьшее   значение   тока,  при котором динистор еще остается  включенным,   при  дальнейшем   снижении напряжения     источника     ток  скачком   падает   до   нуля,   а   напряжение   на динисторе скачком возрастает). Запишите значение Iуд также в табл. 1. 4. Приведите    динистор    во    включенное    состояние    и,    уменьшая напряжение регулируемого источника, поочередно устанавливайте значения тока,   указанные   в   табл.   1   и   записывайте   соответствующие   напряжения   на динисторе. 5. На рис. 7 постройте кривую зависимости тока от напряжения (вольт­ амперную характеристику). Таблица 1. 11 Рис. 7 6. Соберите цепь (рис. 8) для исследования характеристик управяемых тиристоров. Ручку потенциометра поверните вправо до упора (ток управления равен нулю).  7.   Включите   питание   и,   вращая   ручку   регулятора   постоянного напряжения влево и вправо до упора, убедитесь, что тиристор закрыт, как при прямом, так и при обратном приложенном напряжении. 8. Оставьте ручку регулятора постоянного напряжения в крайнем правом положении, и потенциометром увеличивайте ток управления до тех пор, пока не   включится   лампочка,   что   свидетельствует   о   переходе   тиристора   в открытое   состояние.   Верните   ручку   потенциометра   в   правое   крайнее положение   и   убедитесь,   что   и   при   отсутствии   тока   управления   тиристор остаётся включённым. 12 9. Выключите тиристор кратковременным разрыванием анодной цепи или снижением приложенного напряжения до любого отрицательного значения.  10.   Снова   включите   тиристор   при   максимальном   приложенном напряжении, ток управления сделайте равным нулю и, уменьшая приложенное напряжение снимите вольтамперную характеристику (табл. 1) и постройте её график (рис.7).  11.   Снова   включив   тиристор   и,   плавно   уменьшая   напряжение регулируемого источника напряжения, определите ток удержания тиристора (Определяйте его при токе управления равном нулю!). Запишите значение Iуд также в табл. 1. Рис. 8 12.   Медленно   увеличивая   ток   управления   потенциометром   (при максимальном анодном напряжении и непроводящем состоянии тиристора), зафиксируйте ток управления, при котором происходит включение тиристора. Проделайте этот опыт несколько раз и запишите Iоткр.у в табл.1. 13.   Замените   тиристор   симистором   МАС97А6,   сопротивление   в   цепи управления   10   кОм   на   1   кОм   и   проделайте   аналогичные   опыты   по определению  Iоткр.у,   при   двух   напряжениях   питания:   +13   В   (ручка регулятора в правом крайнем положении) и ­ 13 В (ручка регулятора в левом крайнем положении). В каждом из этих случаев симистор может открываться как положительным током управления, так и отрицательным. Для получения 13 отрицательного   тока   управления   переключите   питание   потенциометра   с гнезда +15 В на гнездо ­15 В. 14.   Снимите   вольтамперные   характеристики   при   положительном   и отрицательном   анодном   напряжениях,   определите   токи   удержания. Результаты запишите в табл. 1 и постройте графики на рис. 7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Почему закрытое состояние тиристора устойчиво? 2. Сохранится   ли   открытое   состояние   тиристора   при   снятии   сигнала управления? 3. Объясните   физические   процессы,   ответственные   за   переключение тиристора из одного устойчивого состояния в другой. 4. В   чем   преимущества   и   недостатки   тиристора   перед   транзисторными ключами и контактным переключателем? 5. В чем роль управляющего электрода? 6. Как возникает в тиристоре положительная обратная связь? 14