Лабораторная работа №4 Исследование температурных зависимостей вах тиристора

4.1. Тиристор – полупроводниковый прибор с двумя устойчивыми состояниями, имеющий три и более p-n переходов, который может переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот. Различают диодные (неуправляемые) и триодные (управляемые) тиристоры. Диодный тиристор называют динистором, а триодный – тринистором.

Анод

+

1 Rн

2

+

3

–

– Катод

Рисунок 4.1

Динистор представляет собой двухполюсную четырехслойную p-n-p-n структуру. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью называется катодом, с внешней p-областью – анодом. С учетом знаков приложенного к структуре внешнего напряжения переходы 1 и 3 смещены в прямом направлении. А переход 2 работает в режиме коллектора. Рассматриваемую структуру динистора можно представить состоящей из двух транзисторов p₁-n₁-p₂ и n₂-p₂-n₁ , у которых области n₁ и p₂ условно разделены на две. Переход 1 представляет собой эмиттерный переход первого транзистора , через который дырки инжектируют из области p₁ в область n₁, выполняющую роль базы для этого транзистора.

Пройдя базу и коллекторный переход 2 инжектированные дырки появляются на коллекторе p₂ первого транзистора, который одновременно служит базой второго транзистора. Этот ток определяется выражением I_p=I_рко+₁I_н, где I_рко – обратный ток коллекторного перехода;  - коэффициент передачи тока эмиттера первого транзистора. Появление дырок в базе p₂ второго транзистора приводит к образованию нескомпенсированного объёмного заряда. Этот заряд понижает высоту потенциального барьера эмиттерного перехода 3 второго транзистора, вызывает встречную инжекцию электронов из эмиттерной области n₂ второго транзистора в область p₂, являющуюся базой второго транзистора и коллектором первого одновременно. Инжектированные электроны проходят через коллекторный переход 2 и попадают в коллектор n₁ второго транзистора , служащий одновременно базой первого транзистора (p₁-n₁-p₂).

Значение электронного тока равно I_n=I_nко+₂I_н, где I_nко – обратный электронный ток коллекторного перехода; ₂ – коэффициент передачи тока эмиттера второго транзистора . Учитывая, что электроны и дырки движутся навстречу друг другу, суммарный ток в рассматриваемой структуре I_н= I_p+In=I_pко+ ₁I_н+I_nко+₂I_н= I_pко+I_nко+(₁+₂)I_н=I_кво+_I_н,

где I_кво – обратный ток тиристора, _ - суммарный коэффициент передачи тока эмиттера. Решая полученное выражение относительно I_н, получаем:

(4.1.)

Как видно из уравнения (4.1.), при _1, I_н 

Данное условие является условием переключения динистора. Физически это означает, что при _1 инжекция электронов в область n₁ приводит к появлению нескомпенсированного объёмного заряда, понижает высоту потенциального барьера перехода 1, вызывает встречную вторичную инжекцию дырок из области p₁ в область n₁. Далее процесс повторяется и ток в контуре эквивалентных транзисторов растет лавинообразно. При изменении на обратную полярности напряжения, приложенного к динистру, переходы 1 и 3 окажутся смещенными в обратном направлении. Если эти переходы достаточно высоковольтные, то ВАХ динистора имеет вид обратной ВАХ диода.

Для включения динистора увеличивают напряжение на динисторе, один из транзисторов будет переходить в режим насыщения. Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора откроет его, что в свою очередь увеличит ток базы первого транзистора. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать за счет внутренней положительной обратной связи, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения . ВАХ динистора приведена на рисунке 4.2, где участок 0-1 соответствует закрытому состоянию динистора, участок 2-2' соответствует открытому состоянию динистора. Между первым и вторым участком ВАХ находится переходный участок , соответствующий неустойчивому состоянию . Особенно проявляется эта неустойчивость при малом сопротивлении в цепи нагрузки. В открытом состоянии динистор будет находиться до тех пор , пока за счет проходящего тока будет поддерживаться избыточный заряд в базах, необходимый для смещения коллекторноого перехода в прямом направлении. Если ток через динистор уменьшить ниже тока удержания I_уд , то в результаье рекомбинации уменьшится количество неравновесных носителей заряда в базовых областях тиристора, коллекторные переходы окажутся в обратном направлении и тиристор перейдет в закрытое состояние.

I 2′

2

I _{у д}

1

U

0

Рисунок 4.2

Выключить динистор можно, уменьшив ток I<I_уд или поменяв полярность напряжения на аноде . Различные способы выключения динистора приведены

на рисунке 4.3

+Е +Е +Е +Е

К

R_н R_н R_н R_н R_н

– С+

К К

К

а ) б) в) г )

Рисунок 4.3 Схемы выключения динистора , где:

а) выключение динистора прерыванием тока;

б) выключение динистора уменьшением тока через него до нуля;

в) выключение динистора понижением тока через него ниже I_уд путём введения дополнительного резистора;

г) выключение динистора путём подачи на него напряжения обратной полярности с конденсатора.

Структура и условное обозначение триодного тиристора – тринистора представлена на рис. 4.4

p

n

p

n

p

n

p

n

УЭ

УЭ

УЭ

УЭ

К

К

К

К

Рисунок 4.4 Структура тринистора:

а) с катодным управлением; б) с анодным управлением;

Включение тринистора производится через одну из баз, к которым подключен управляющий электрод. Управление может быть анодным -рисунок (б) или катодным- рисунок (а) в зависимости от того, к какой базе (p или n) подключен управляющий электрод. Если подать на базу ток управления , то коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдёт включение транзистора.

Вольт-амперная характеристика тринистора приведена на рисунке 4.5

I

I_у2>I_у1 I_у1>0

I_у=0

U

Рисунок 4.5 ВАХ тринистора

Она отличается от ВАХ динистора тем ,что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении управляющего тока снижается напряжение включения. Таким образом, тринистор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения

После включения тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства и с его помощью выключить тиристор нельзя. Основные схемы выключения тринистора такие же, как у динистора. Тиристоры подвержены самопроизвольному включению при быстром изменении напряжения на аноде. Это явление получило название «эффект dV/dt». Оно связано с зарядом емкости перехода 2 при быстром изменении напряжения на аноде тиристора ic₂=C₂*dV/dt Даже при небольшом напряжении на аноде тиристор может включиться при большой скорости его изменения . Работа тиристора в режиме dV/dt недопустима, поэтому применяют специальные методы гашения влияния переходных процессов в момент включения.

Ранее условное обозначение тиристора содержало[6] информацию о материале полупроводника (буква К - кремний),обозначение типа прибора (Н – динистор, У – тринистор) класс по мощности (1 – ток анода до 0.3А, 2 – более 0.3А)

Новое обозначение тиристора включает:

Т – тиристор, не проводящий в обратном направлении ;

ТП – тиристор проводящий в обратном направлении (параметры обратного направления не нормируют);

ТД – тиристор – диод, проводящий в обратном направлении (параметры обратного направления нормируют);

ТЛ – лавинный тиристор (допускается работа в при лавинном пробое в обратном направлении);

ТС – симметричный тиристор (симистор);

ТО – оптотиристор (тиристорная оптопара).

К основным параметром тиристоров относятся:

• допустимое обратное напряжение U_обр;

• напряжение U_пр в открытом состоянии при заданном прямом токе;

• допустимый прямой ток I_пр;

• времена включения t_вкл и выключения t_выкл;

• ток удержания;

• напряжение (U_вкл) и ток (I_вкл) включения .

Выключение тиристора осуществляют импульсом тока управления, длительность которого должна быть такой, чтобы к моменту его окончания анодный ток был больше тока удержания.