Лабораторная работа 9 однофазный тиристорный выпрямитель с функцией стабилизации выходного напряжения

Цель работы:

1. Ознакомиться с типами полупроводниковых тиристоров и их свойствами.

2. Изучить однофазную двухполупериодную схему тиристорного выпрямителя.

3. Исследовать работу тиристорного выпрямителя на активную нагрузку, построить его характеристики в функции тока нагрузки.

Основные теоретические положения

Устройство и принцип действия

Тиристор — это полупроводниковый прибор с тремя или более «р - n переходами», вольтамперная характеристика которого имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением который используется для переключения тиристора.

Двухэлектродные тиристоры – динисторы. Трехэлектродные тиристоры – тринисторы.

Двухэлектродный тиристор (динистор) — это тиристор, имеющий два внешних вывода.

Структура двухэлектродного тиристора состоит из четырех слоев кристалла полупроводника с чередующимся типом электропроводности (рис.1). Внешнее напряжение (прямое) на такой прибор подается минусом на крайнюю область с электропроводностью n-типа (на катодный электрод) и плюсом на крайнюю область с электропроводностью р-типа (на анодный электрод). В этом случае крайние n-р-переходы включены в прямом направлении, поэтому их называют эмиттерными; средний р-n-переход включен в обратном направлении, поэтому его называют коллекторным. Соответственно в таком приборе существуют две эмиттерные области (n- и р-эмиттеры) и две базовые (p- и n-базы).

Большая часть внешнего напряжения падает на коллекторном переходе, поэтому первый участок вольт-амперной характеристики тиристора аналогичен обратной ветви вольт-амперной характеристики диода (см. рис.1). С увеличением анодного напряжения, приложенного к тиристору между анодом и катодом, увеличивается прямое напряжение и на эмиттерных переходах. Электроны, инжектированные из n-эмиттера в р-базу, диффундируют к р-n-переходу коллектора, проходят коллекторный переход и попадают в p-базу. Дальнейшему прохождению электронов по тиристорной структуре препятствует небольшой потенциальный барьер правого эмиттерного перехода (рис.1). Поэтому часть электронов, оказавшись в потенциальной яме n-базы, образует избыточный отрицательный заряд, который, понижая высоту потенциального барьера правого эмиттерного перехода, вызывает увеличение инжекции дырок из р-эмиттера в n-базу.

Рис.1. Структура, вольт-амперная характеристика и энергетические

диаграммы двухэлектродного тиристора

Инжектированные дырки диффундируют к р-n-переходу коллектора, проходят через этот переход и попадают в р-базу. Дальнейшему их продвижению по тиристорной структуре препятствует небольшой потенциальный барьер левого эмиттерного перехода. Следовательно, в р-базе происходит накопление избыточного положительного заряда, что обусловливает увеличение инжекции электронов из n-эмиттера. В результате накопления избыточного положительного заряда в р-базе и отрицательного в n-базе при напряжении на тиристоре U_вкл (напряжении включения), происходит резкое увеличение тока, проходящего через тиристор, и одновременное уменьшение падения напряжения на тиристоре. Второй участок вольт-амперной характеристики тиристора аналогичен прямой ветви вольт-амперной характеристики р-n-перехода (рис. 1). В режиме, соответствующем второму участку, напряжение на коллекторном переходе оказывается прямым из-за большого заряда, накопленного в базах.

Таким образом, тиристор может находиться в двух состояниях: выключенном (закрытом), которое характеризуется большим падением напряжения на тиристоре и прохождением малых токов через него, т. е. большим сопротивлением (участок 1), и включенном (открытом), которое характеризуется малым падением напряжения на тиристоре и прохождением больших токов через него, т. е. малым сопротивлением (участок 2).

В открытом состоянии тиристор находится до тех пор, пока за счет проходящего тока поддерживается количество избыточных зарядов в базах, необходимое для понижения высоты потенциального барьера коллекторного перехода до величины, соответствующей прямому его включению. Если же ток через тиристор уменьшить до некоторой величины (I_выкл), то в результате рекомбинации и рассасывания количество избыточных зарядов в базах уменьшится, p-n-переход коллектора окажется включенным в обратном направлении, произойдет перераспределение падений напряжения на p-n-переходах тиристорной структуры, уменьшится инжекция из эмиттера и тиристор перейдет в закрытое состояние (рис.1).

Структуру тиристора можно рассматривать как два эквивалентных транзистора, соединенных между собой (рис.1).

Напомним, что коэффициент передачи тока эмиттера транзистора возрастает с увеличением тока эмиттера в результате уменьшения влияния рекомбинации в р-п-переходе эмиттера и появления электрического поля в базе транзистора. Коэффициент передачи тока эмиттера также растет при увеличении напряжения на коллекторе из-за уменьшения толщины базы и увеличения коэффициента умножения в коллекторном переходе. Все эти процессы происходят и в тиристорной структуре при увеличении прямого напряжения.

В кремниевых транзисторах зависимость коэффициента передачи тока эмиттера выражена сильнее, чем в германиевых. Объясняется это большей шириной запрещенной зоны кремния по сравнению с шириной запрещенной зоны германия. Следовательно, в кремниевом тиристоре также более сильная зависимость суммарного коэффициента передачи тока, чем в германиевом.

Преимуществом кремния, как исходного материала для изготовления тиристоров по сравнению с германием, является также меньшее значение токов I_кво, что обусловливает меньшую мощность, рассеиваемую в тиристоре в закрытом состоянии и, кроме того, повышенные значения напряжения включения U_вкл. Поэтому тиристоры делают только из кремния.

Рис. 2. Структура диодного тиристора с зашунтированным эмиттерным переходом

В соответствии с (рис.1) переключение тиристора в открытое состояние происходит при возрастании суммарного коэффициента передачи тока до единицы. В то же время, в каждой из транзисторных структур, составляющих тиристор, коэффициенты передачи тока эмиттера могут быть близки к единице уже при малых напряжениях и токах. Для уменьшения начальных величин коэффициента передачи одну из баз тиристора делают довольно толстой по сравнению с диффузионной длиной соответствующих неосновных носителей. Кроме того, один из эмиттерных переходов шунтируется объемным сопротивлением базы (рис.2). Такое шунтирование обеспечивает малые значения коэффициента передачи тока при малых напряжениях на тиристоре, так как почти весь ток при этих условиях идет по шунтирующему сопротивлению базы, минуя левый n-p- переход эмиттера.

При больших напряжениях, в связи с уменьшением сопротивления р-п-перехода левого эмиттера, почти весь ток будет проходить через p-n-переход эмиттера, минуя шунтирующее сопротивление базы, или, другими словами, приводит к резкому увеличению суммарного коэффициента передачи тока.

Таким образом, шунтирование эмиттерного перехода тиристора дает возможность получить так называемую жесткую характеристику переключения тиристора, т. е. в связи с более резкой зависимостью коэффициента передачи тока от напряжения и от тока тиристор будет переходить в открытое состояние каждый раз при одном и том же напряжении включения.

Наоборот, при слабой зависимости коэффициента передачи тока от напряжения и от тока тиристор может переходить в открытое состояние при несколько отличных напряжениях на тиристоре, т. е. будет иметь так называемую мягкую характеристику переключения.

Трехэлектродный тиристор (тринистор) — это тиристор, имеющий три внешних вывода.

Чтобы перевести тиристор в открытое состояние, необходимо накопление избыточного отрицательного заряда электронов в n-базе и избыточного положительного заряда дырок в p-базе. Осуществляется это увеличением анодного напряжения на тиристоре до величины напряжения включения.

Однако тот же эффект можно получить, если у одной из баз есть невыпрямляющий контакт с электродом (рис. 3а), который называют управляющим электродом. При подаче на управляющий электрод напряжения такой полярности, чтобы прилегающий к этой базе эмиттерный переход был включен в прямом направлении, можно увеличить инжекцию из p-эмиттера, что приведет в открытое состояние при анодном напряжении на тиристоре, меньшим напряжением включения U_вкл (рис. 3, б). Другими словами, при подаче на управляющий электрод напряжения можно изменять ток эмиттера и, следовательно, регулировать значение коэффициента передачи тока эмиттера, что обусловит увеличение суммарного коэффициента передачи всей тиристорной структуры и переключение ее в открытое состояние. Очевидно, что с ростом тока управления анодное напряжение, необходимое для переключения тиристора в открытое состояние, понижается (рис. 3 в).

Для удобства управления тиристором управляющий электрод делают у более тонкой базы, так как коэффициентом передачи тока эмиттера такой транзисторной структуры легче управлять, чем коэффициентом передачи транзистора с толстой базой.

Рис.3. Структуры трехэлектродных тиристоров с невыпрямляющим контактом между управляющим электродом и базой (a), с дополнитeльным p-n-переходом под управляющим электродом (б) и вольт-амперные характеристики трех электродного тиристора при различных токах управления (I'y>Iy''>0) через управляющий электрод (в)

Рис.4. Структура симметричного тиристора (а) и его вольт-амперная характеристика (б)

Управляющий контакт можно сделать не только невыпрямляющим, но и с дополнительным p-n-переходом (рис.3, б). При определенной полярности напряжения на управляющем электроде через дополнительный переход будет происходить инжекция неосновных носителей заряда и их накопление в соответствующей базе, что также приведет к переключению тиристора в открытое состояние.

Симметричный тиристор — это тиристор, имеющий практически одинаковые вольтамперные характеристики при различных полярностях приложенного напряжения.

Основой симметричного тиристора является кремниевая монокристаллическая структура, состоящая из пяти областей с чередующимся типом электропроводности, которые образуют четыре р-n-перехода (рис.4 а). Крайние переходы зашунтированы объемными сопротивлениями прилегающих к этим р-n-переходам областей с электропроводностью p-типа.

Если на такой тиристор подать напряжение плюсом на область n₁ и минусом на область n₃ то p-n-переход окажется включенным в обратном направлении, и ток, проходящий через него, будет пренебрежимо мал. Весь ток через тиристор при такой полярности приложенного напряжения будет проходить по шунтирующему сопротивлению области р₁. Четвертый p-n-переход будет включен в прямом направлении и, при достаточном значении напряжения, через него будет происходить инжекция электронов. Значит, при выбранной полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру р-n-р-n, в которой могут происходить те же процессы, что и в обычном двухэлектродном тиристоре, приводящие к переключению его из закрытого состояния в открытое и обратно.

При перемене полярности внешнего напряжения четвертый p-n-переход окажется включенным в обратном направлении и, обладая при этом большим сопротивлением, будет целиком зашунтирован относительно малым сопротивлением области р₂. Следовательно, при изменении полярности внешнего напряжения рабочая часть тиристора представляет собой структуру п-р-п-р, способную переключаться из закрытого состояния в открытое и обратно.

Таким образом, симметричный тиристор можно представить в виде двух тиристоров, включенных встречно и шунтирующих друг друга.

При изготовлении такой тиристорной структуры с геометрической симметрией относительно центра средней области n₂ и при одинаковых электрических параметрах p-n-переходов 1 и 4, 2 и 3 вольт-амперная характеристика симметричного тиристора также будет одинаковой при разных полярностях приложенного напряжения (рис. 4 б).

Симметричный тиристор можно сделать управляемым, если у одной из областей с электропроводностью p-типа осуществить невыпрямляющий контакт с соответствующим управляющим выводом.