Цель работы: Исследование вольтамперных характеристик динистора и тиристора, определение их параметров.
1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Тиристорами называются полупроводниковые приборы, имеющие три и более р-n-перехода, вольт-амперная характеристика которых имеют участок отрицательного дифференциального сопротивления, которые могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот, т.е. имеющие два устойчивых состояния.
Тиристор, имеющий два вывода, через которые протекает ток, называется диодным тиристором или динистором. Тиристор, имеющий два основных и один управляющий вывод, называется триодным тиристором – тринистором. Их вольтамперные характеристики имеют S-образную форму. В одном состоянии тиристор имеет высокое сопротивление и малый ток (закрытое или выключенное состояние), в другом – низкое сопротивление и большой ток (открыто или включенное состояние). Тиристоры с успехом можно использовать в ключевом режиме.
В настоящее время промышленностью выпускается большое число типов тиристоров с различными характеристиками управления, способных коммутировать токи от единиц миллиампер до 10000 А при напряжениях, превышающих 10000 В.
Основная схема тиристорной структуры показана на рис 1.а, и его условное обозначение на рис 1.б. Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый p-n-p-n прибор, содержащий три последовательно соединенных p-n перехода П1, П2, П3. Контакт к внешнему р-слою называется анодом, контакт к внешнему n-слою – катодом, крайние области называются эмиттерами, области n1, р2 – базами. Переход П2 называется коллекторным. Прибор может быть без управляющего электрода (динистор) или иметь один или два таких электрода, подсоединяемых к внутренним р-, n-областям (как на рис.1.).
Если к аноду р1 подключить отрицательный полюс внешнего источника питания а к аноду n2 – положительный (обратное включение), то переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении и ток через структуру будет равен току обратно смещенных p-n-переходов, т.е. очень мал.
Рис.1. Структура тиристора (а) и его условное обозначение (б).
Если к аноду р1 подключить положительный полюс внешнего источника питания, а к катоду n2 – отрицательный (прямое включение), то переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а переход П2 – в обратном. При этом можно считать, что почти все внешнее приложенное напряжение падает на закрытом коллекторном переходе П2. При увеличении внешнего напряжения происходит увеличение напряжения и на эмиттерных переходах П1 и П2, что вызывает увеличение инжекции неосновных носителей в р- и n-базу. При этом дырки, инжектированные из р-эмиттера в n-базу, диффундируют к коллекторному переходу и перебрасываются им в р-базу. Дальнейшему прохождению дырок по тиристорной структуре препятствует электрическое поле второго эмиттерного перехода. Поэтому в р-базе происходит накопление положительного избыточного заряда. Аналогично накапливается избыточный отрицательный заряд в n-базе за счет попадания в нее электронов, инжектированных n-эмиттером. Процесс накопления зарядов в базах n- и р-типа приводит к снижению потенциального барьера коллекторного перехода П2 и сопровождается некоторым увеличением тока, проходящего через динистор (или тиристор при токе управляющего электрода равном нулю). Практически все приложенное напряжение будет падать на коллекторном переходе П2.
При напряжении на динисторе uвкл переход П2 оказывается в режиме когда потенциальный барьер коллекторного перехода почти полностью исчезает, сопротивление тиристора резко уменьшается, а ток резко увеличивается. На ВАХ этому процессу соответствует участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением (см. рис.2, кривая Iу=0). После этого ВАХ тиристора аналогична характеристике диода, смещенного в прямом направлении, т.е. ток резко возрастает с увеличением напряжения.
При этом падение напряжения на динисторе резко уменьшается и становится равным сумме напряжений на трех электронно-дырочных переходах, смещенных в прямом направлении, и составляет единицы вольт. Поэтому, чтобы не произошло разрушения структуры динистора, при его включении последовательно с ним обязательно должна включаться нагрузка Rн, на сопротивление которой будет падать почти все напряжение питания Е. Величина тока, проходящего через динистор во включенном состоянии, определяется сопротивлением нагрузки Rн и напряжением питания Е:
I = E/Rн
Динистор в открытом находится до тех пор, пока проходящий через него ток поддерживает в базах избыточные заряды, обеспечивающие режим насыщения коллекторного перехода. Если ток, проходящий через динистор, уменьшить до некоторой величины Iвыкл,
то процесс рекомбинации зарядов в базах начнет преобладать над процессом накопления, коллекторный р-n-переход выйдет из режима насыщения и окажется включенным в обратном направлении, сопротивление его возрастет, ток уменьшится, произойдет перераспределение напряжений, инжекция из эмиттеров уменьшится и динистор перейдет в закрытое состояние.
Для определения тока, протекающего через диодный тиристор, часто используют двухтранзисторную модель рис.3. Так как коллекторный p-n-переход смещен в обратном направлении, то такую структуру легко можно представить в виде комбинации двух транзисторов разной электропроводности с общим коллекторным переходом П2 соединенных между собой так, как показано на рис.3. Ток в цепи определяется током коллекторного перехода П2. Он однозначно зависит от потока дырок из эмиттера транзистора р-п-р-типа и потока электронов из эмиттера транзистора п-р-п- типа, а также от обратного тока р-п-перехода.
Рис.3.Двухтранзисторнная модель тиристора.
Тринистор отличается от динистора наличием третьего вывода от базовой области. Это позволяет путем подачи на него напряжения управлять величиной напряжения включения. Поэтому тринисторы в отличие от динисторов иногда называют управляемыми переключателями.
Управляющий электрод (УЭ) может быть подведен к любой из баз тринистора. Внешне это выразится лишь в выборе нужной полярности источника напряжения управляющего электрода. С ростом управляющего тока напряжение включения Uвкл уменьшается, так как появляется дополнительная инжекция носителей заряда. Полярность подачи управляющего напряжения: " + " к р-области или " – " к n-области. Если через управляющий электрод тиристора не протекает ток управления, то его вольтамперная характеристика идентична вольтамперной характеристике динистора. Когда ток управления достигает определенной величины, тиристор будет открыт при любом положительном напряжении. Это значение управляющего тока называется током спрямления Iспр.
Таким образом, перевести тиристор в открытое (проводящее) состояние можно, либо подав на него напряжение включения, либо ток управления равный току спрямления. После открытия тиристора управляющий электрод перестает оказывать на него воздействие. Поэтому для включения тиристора достаточно кратковременного прохождения тока в цепи управляющего электрода (τиу ≈10 мкс). Запуск тиристора может быть также осуществлен импульсом света, поданного в плоскость перехода П2. При этом возрастает обратный ток перехода за счет фотовозбужденных электронно-дырочных пар. Такой способ запуска используется в фототиристорах, когда импульс света включает силовую цепь, осуществляя гальваническую развязку управляющей и силовой цепи.
В связи с тем, что после открытия тиристора его сопротивление резко уменьшается, то ток через тиристор многократно возрастает, что может привести к выходу тиристора из строя. Для ограничения тока последовательно с тиристорам включают нагрузочный резистор, который ограничивает ток в цепи (его часто называют ограничивающим).
Ток и напряжение цепи управления имеют небольшую величину, а ток в анодной цепи может достигать сотен ампер при анодных напряжениях от нескольких десятков до нескольких тысяч вольт. Поэтому коэффициент усиления по мощности у тринисторов достигает величины порядка 104-105.
Так как тиристоры имеют два устойчивых состояния и низкую мощность рассеяния в этих состояниях, то, в первую очередь, они используются как бесконтактные переключатели, причем ток в цепи управления на несколько порядков меньше коммутируемого. Тиристоры широко используются в регулируемых выпрямителях, преобразователях, схемах защиты. Отрицательное дифференциальное сопротивление тиристоров и динисторов используется для создания релаксационных генераторов импульсов напряжения прямоугольной и треугольной формы.
1.2. Основные параметры тиристоров
1.Напряжение включения (переключения) Uвкл. (десятки – сотни В).
2.Напряжение в открытом состоянии – падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии Uос (1-3 В).
3.Обратное напряжение Uобр. – напряжение, при котором тиристор может работать длительное время без нарушения его работоспособности (единицы – тысячи В).
4.Запирающее напряжение на управляющем электроде Uуз – напряжение, обеспечивающее требуемое значение запирающего тока управляющего электрода (единицы – десятки В).
5.Ток в открытом состоянии Iос максимальное значение тока открытого тиристора (сотни мА – сотни А).
6.Ток удержания Iуд. (десятки – сотни мА).
7.Обратный ток Iобр. (доли мА).
8.Отпирающий ток управления Iу от – наименьший ток управляющего электрода, необходимый для включения тиристора (десятки мА).
9.Время включения tвкл- время с момента подачи отпирающего импульса до момента, когда напряжение на тиристоре уменьшится до 0.1 своего начального значения (мкс-десятки мкс).
10.Время выключения tвык- минимальное время, в течение которого к тиристору должно прикладываться запирающее напряжение (десятки – сотни мкс).
11.Рассеиваемая мощность Р (единицы – десятки Вт).
Обозначения тиристоров состоят из шести элементов. Первый элемент – буква, указывающая исходный материал полупроводника; второй – буква Н для динисторов, У – для тиристоров; третий – цифра, определяющая назначение прибора; четвертый и пятый – порядковый номер разработки; шестой – буква, определяющая технологию изготовления.
2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО МАКЕТА
Функциональная схема макета приведена на рис.4. Она состоит из двух независимых друг от друга частей:
Часть 1 – схема для снятия вольтамперных характеристик тиристора и динистора с использованием тиристора КУ 202.
Часть 2 – схема применения динистора (генератор импульсов пилообразного напряжения, собранный на динисторе КН – 102).
Рис.4. Функциональная схема лабораторного макета.
Лабораторный макет состоит из унифицированного корпуса, в который вмонтирован сменный блок с лабораторной работой. На передней панели корпуса расположены: кнопки пяти переключателей, служащие для коммутации: ручки четырех переменных резисторов, используемых для измерения токов и напряжения; головка миллиамперметра, предназначенного для измерения Iа тиристора (динистора) и Iупр тиристора.
На панели сменного блока приведена блок – схема лабораторной работы и вмонтированы гнезда для подключения измерительных приборов.
Переключатель S1 служит для подключения к управляющему электроду исследуемого тиристора генератора Iупр или диода.
Переключатель S2 не задействован.
Переключатель S3 подключает генератор анодного тока тиристора (динистора) к генератору пилообразного напряжения G2 , при работе в ”автоматическом режиме” (просмотр вольтамперных характеристик тиристора и динистора на экране осциллографа) или генератора постоянного напряжения G1 , при работе ”в ручном режиме” (снятие вольтамперных характеристик тиристора и динистора по точкам).
Переключатели S4 и S5 служат для коммутации.
С помощью переключателей S4 и S5 миллиамперметр макета используется для измерения Iупр ,когда переключатель S1 нажат, а все другие отжаты, или для измерения Ia, когда переключатели S4 и S5.
R1 служит для изменения величины напряжения генератора G1.
R2 ” грубо ” и R3 ”точно ” изменяют величину Iупр.
R4 служит для изменения величины анодного напряжения динистора в схеме применения.