Міністерство освіти і науки україни національний університет «львівська політехніка»

ЗНЯТТЯ ХАРАКТЕРИСТИК І ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ ТРІОДНОГО ТИРИСТОРА

Інструкція до лабораторної роботи № 7

з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка”

для студентів базового напряму 6.0914

«Комп’ютеризовані системи, автоматика і управління»

Затверджено

на засіданні кафедри

Комп’ютеризовані системи автоматики

Протокол №8 від 24 грудня 2008 р.

Львів – 2008

Зняття характеристик і визначення параметрів тріодного тиристора: Інструкція до лабораторної роботи №7 з дисципліни: “Електроніка та мікросхемотехніка” / Укл.: Вітер О.С., Гаранюк І.П.  Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2008.  12 с.

Укладачі Вітер О.С., канд. техн. наук, доц.

Гаранюк І.П., канд. техн. наук, доц.

Відповідальний за випуск Наконечний А.Й., д-р техн. наук, проф.

Рецензент Проць Р.В., канд. техн. наук, доц.

Мета роботи – вивчення властивостей кремнієвих тріодних тиристорів, особливостей їх характеристик та параметрів.

Теоретичні відомості

Тиристор – перемикаючий напівпровідниковий пристрій з трьома n-p переходами, який застосовується в джерелах живлення, в електроприводі, а також в інших пристроях автоматики. Для зменшення втрат тиристори переважно працюють у ключовому режимі.

Залежно від кількості електродів тиристори поділяються на:

• діодні (динистори), які мають два електроди;

• тріодні тиристори, які мають три електроди.

Залежно від здатності пропускати струм в одному чи в двох напрямках тиристори поділяються на:

• однопровідні;

• двопровідні (симетричні тиристори або симистори).

За потужністю тиристори поділяються на:

• малопотужні, в яких постійний струм у відкритому стані А;

• середньої потужності  А;

• силові  А.

Принцип дії тиристора. Основою тиристора є чотиришарова напівпровідникова структура p-n-p-n типу (рис.1а). Тиристор має три n-p переходи, зокрема два з них (П1 і П3) працюють у прямому напрямку, а середній перехід П2 – у зворотному напрямку. Крайня область р структури називається анодом (А), а крайня область n – катодом (К). Для опису принципу роботи тиристора можна використовувати модель, яка складається з двох транзисторів VТ1 і VТ2, що мають провідності типу p-n-p і n-p-n відповідно і які з’єднані у відповідності з рис.3. Згідно з такою моделлю виходить, що переходи П1 і П3 є емітерними переходами цих транзисторів, перехід П2 працює в обох транзисторах як колекторний перехід.

Переважно тиристори виготовляють з кремнію, зокрема емітерні переходи є сплавні, а колекторний перехід виготовляють за допомогою дифузії. Застосовується також планарна технологія виготовлення тиристорів. Концентрація домішок в базових областях значно менша, ніж в емітерних областях. До однієї з базових областей під’єднують керуючий електрод (КЕ).

При відсутності зовнішньої напруги на n-p переходах тиристора встановлюється стан термодинамічної рівноваги, при якій струми дифузії та дрейфу, які проходять через кожен n-р перехід, взаємно зрівноважують ся. Тому сумарний струм тиристора дорівнює нулю. В цьому режимі тиристор можна вважати закритим. Потенціальні бар’єри всіх n-p переходів мають однакову висоту (рис.1).

Якщо на електроди тиристора подана зовнішня пряма напруга (плюсом до аноду й мінусом до катоду), то емітерні n-р переходи П1 і П3 будуть увімкненні в прямому, а центральний П2 – у зворотному напрямках. При цьому потенціальна діаграма тиристора змінюється (рис.2).

Через переходи П1 і П3, які працюють у прямому напрямку, в області, які примикають до переходу П2, інжектуються неосновні носії заряду, що зменшує опір переходу П2. З другого боку, підвищення зворотної напруги на переході П2 збільшує його опір, оскільки під впливом зворотної напруги основні носії заряду виштовхуються в різні сторони від границі, тобто перехід збіднюється основними носіями. При цьому через тиристор проходить невеликий струм, який залежить від зовнішньої напруги і, в основному, зумовлений інжекцією емітерних n-p переходів. До напруги вмикання перевагу має другий фактор і опір переходу П2 зростає, але все менше і менше, оскільки підсилюється другий фактор.

При досягненні напруги вмикання обидва фактори урівноважуються, а потім навіть незначне збільшення анодної напруги створює перевагу першого фактору і опір переходу П2 починає зменшуватися і виникає процес лавиноподібного (стрибкоподібного) відкривання тиристора. При зменшенні опору переходу П2 напруга на ньому зменшується, за рахунок цього ще більше зростають напруги на переходах П1 і П3, а це, в свою чергу, приводить до ще більшого зростання струму через тиристор і зменшення опору П2. У результаті такого процесу встановлюється режим, який нагадує режим насичення транзистора: великий струм при малій напрузі. Тиристор у цьому режимі відкритий, а струм визначається опором навантаження, який з’єднаний послідовно з тиристором. Значення цього струму описується рівнянням

, (1) де – зворотній струм n-p переходу;

і – коефіцієнти передачі емітерного струму транзисторів VT1 і VT2.

Якщо до керуючого електроду тиристора, під’єднаного до p2-бази, прикладена додатна відносно катоду напруга, то в колі КЕ виникає струм керування , який збільшує сумарний струм тиристора, і знижує потенціальний бар’єр переходу П3. Рівняння (1) в цьому випадку матиме вигляд

. (2)

Тиристор знаходиться у стані низької провідності (вимкнений стан) доти, поки . Але не всі носії заряду, які інжектуються емітерними n-p переходами, беруть участь у створенні електричного струму. Частина носіїв заряду нагромаджується в базових областях, біля колекторного n-p переходу П2, спричиняючи цим зниження потенціального бар’єру.

Збільшення зовнішньої напруги або струму керування викликає збільшення кількості носіїв заряду, які інжектуються емітерними n-p переходами, а також зростання коефіцієнтів та і подальше зменшення потенціального бар’єру колекторного n-p переходу. Це приводить до збільшення струму тиристора. При досягненні зовнішньою напругою критичного значення колекторний n-p перехід переходить у режим насичення, при якому напруга на ньому стає практично рівною нулю. Струм через тиристор стрибком зростає до значення, яке залежить від зовнішньої напруги і опору навантаження, що відповідає ввімкненому стану пристрою. Значення зменшується при збільшенні струму керування.

Р ис.3. Транзисторна модель тиристора

До основних параметрів тиристорів відносяться:

• відкриваюча керуюча напруга ;

• пряма напруга у відкритому стані U_{пр. від};

• максимальна зворотна напруга U_зв;

• максимальна пряма напруга в закритому стані U_{пр. макс};

• постійний струм у відкритому стані І_{пр. від} ;

• постійний відкриваючий струм керування І_кер;

• струм утримання тиристора у відкритому стані І_утр ;

• час вмикання t_вм і час вимикання t_вим;

• загальна ємність С_заг.