Лабораторная работа № 4. Исследование переключающих приборов.

Целью работы является изучение особенностей вольтамперных характеристик управляемых и неуправляемых переключающих приборов – тиристоров и динисторов.

Краткие теоретические сведения

Переключающими называются полупроводниковые приборы, обладающие лишь двумя устойчивыми состояниями – включенным и выключенным. В первом из них они имеют высокую проводимость, а во втором – низкую.

Переключающие приборы изготавливаются на основе полупроводниковых структур с тремя и более p-n переходами и называются тиристорами. Перевод тиристора из закрытого (выключенного) состояния в открытое (включенное) может быть осуществлен под воздействием электрического напряжения, тока или путем освещения p-n переходов. В зависимости от числа выводов от полупроводниковой структуры и способа управления, тиристоры делятся на диодные (динисторы) и триодные (тринисторы), имеющие специальный электрод для их включения.

Структура тиристоров и их обозначения на электрических схемах показаны на рис. 4.1. Вывод от внешнего p-слоя полупроводника называется анодом, а от внешнего n-слоя – катодом тиристора.

Рис. 4.1. Структура и обозначения на электрических схемах динистора и тиристора.

Динистор может быть условно представлен в виде двух частично совмещенных p-n-p и n-p-n структур, что эквивалентно электрическому соединению двух биполярных транзисторов различного типа проводимости, как показано на рис. 4.2. Такое соединение реальных транзисторов позволяет получить действующий переключающий прибор.

Рис. 4.2. Представление динистора в виде совокупности двух биполярных транзисторов.

Если на анод динистора подать небольшое положительное напряжение, а на катод отрицательное, то крайние p-n переходы исместятся в прямом, а средний– в обратном направлении. При этом переходы,функционируют как эмиттерные, а переход– как коллекторный для обоих транзисторов.

Коллекторный ток транзистора связан с его эмиттерным токомсоотношением, где– коэффициент передачи эммитерного тока, величина которого всегда меньше единицы. Для структуры, изображенной на рис. 4.2, будет справедливо соотношение:

(4.1)

где – обратный ток запертого перехода,I – ток динистора

Так как,

(4.2)

и, следовательно, ток через рассматриваемую структуру может быть представлен в виде:

(4.3)

. (4.4)

Из последнего выражения следует, что пока сумма коэффициентов передачи тока транзисторов VT1 и VT2 (рис. 4.2) , величина тока через динистор будет одного порядка со значением обратного тока , который для кремниевых структур составляет единицы-десятки микроампер. Если же по каким-то причинам сумма приблизится к единице, то, как следует из (4.4), ток через динистор существенно возрастет, а при станет равным бесконечности.

Эта ситуация соответствует переходу динистора из выключенного состояния во включенное. В реальных условиях величина тока через динистор после его включения ограничивается напряжением источника питания и сопротивлением внешней цепи. В этом состоянии все p-n переходы транзисторов будут смещены в прямом направлении и транзисторы перейдут в режим насыщения. Падение напряжения на динисторе в данной ситуации составляет 0,81,5В и слабо зависит от величины протекающего тока.

Такое состояние будет устойчивым и самоподдерживающимся. Считая составляющие динистор транзисторы идентичными, получим, что . Так как, а, то в обоих транзисторах токи коллекторов окажутся равными токам баз и соответственно половинному значению эмиттерных токов. Таким образом коэффициенты передачи токов будут равны по 0,5, а их сумма – единице, что соответствует включенному состоянию структуры.

Если изменить полярность напряжения на электродах динистора, на анод подать отрицательный, а на катод положительный потенциал, то запертыми окажутся переходы ,, и ток через прибор будет определяться лишь током утечки.

Как уже отмечалось, во включенное состояние тиристор можно перевести тремя способами - увеличивая напряжение на нем, ток через структуру, либо освещая p-n переходы. Это связано с тем, что коэффициент передачи является функцией всех этих параметров. Графики соответствующих зависимостей приведены на рис. 4.3.

Таким образом, если увеличивать прямое напряжение на динисторе, то вследствие возрастания коэффициентов итранзисторов его эквивалентной структуры, при некоторой величине этого напряжениядолжен произойти переход динистора в проводящее состояние.

Однако вследствие того, что зависимость слабая и величинапри токах через динистор порядка, очень мала, данный механизм включения четырехслойной структуры в чистом виде не реализуется. Это связано с тем, что при напряжениях меньшихвозникает процесс лавинного размножения носителей в области перехода, возрастает ток через него и, как следствие, происходит увеличение коэффициентовидо момента включения динистора. После этого соотношениебудет поддерживаться автоматически.

Рис. 4.3. Зависимости коэффициента передачи тока биполярного транзистора от напряжения, тока и освещенности.

Выключить динистор можно, лишь уменьшив ток через него до величины, называемой током удержания , при котором суммастанет меньше единицы. Выключение произойдет и при разрыве цепи питания.

В отличие от вольтамперных характеристик диодов и транзисторов на прямой ветви вольтамперной характеристики динистора имеется участок на котором с ростом тока через прибор напряжение на нем падает. Этот участок соответствует включению динистора. Кроме того ход вольтамперной характеристики зависит от режима ее снятия.

Рис. 4.4 Схемы для иссследования прямой ветви вольтамперной характеристики динистора.

Для схемы измерения, представленной на рис. 4.4 а она имеет следующий вид.

С ростом прямого напряжения немного увеличивается ток через запертый центральный p-n переход динистора (он лежит в пределах десятков микроампер – единиц миллиампер). При достижении напряжения включения происходит переход динистора в новое состояние и резкое увеличение тока до значения , ограниченного сопротивлением внешней цепи. Прямое падение напряжения на динисторе при этом составляет доли вольта. Такой переход, показанный штриховой линией, осуществляется очень быстро за время порядка единиц-десятков микросекунд.

При уменьшении напряжения источника ток через динистор будет падать и при достижении им значения тока удержания динистор перейдет в выключенное состояние. Этот переход также происходит быстро и не может быть зафиксирован обычными измерительными приборами. На участке «а-b» дифференциальное сопротивление динистора является отрицательным, что обуславливает возможность использования в ряде специфических усилительных и генераторных устройств.

При смене полярности внешнего напряжения через динистор будет протекать небольшой обратный ток вплоть до наступления электрического пробоя одного из переходов.

Для схемы измерений, приведенной на рис. 4.4 б включение динистора при увеличении напряжения источника питания происходит аналогично вышеописанному. Однако здесь снижение прямого тока через него осуществляется путем увеличения сопротивления резистора при неизменном напряжении источника близком к . Поэтому при снижении прямого тока до величины меньшейдинистор выключится и напряжение на нем скачком возрастет до напряжения внешнего источника.

Если в структуру, представленную на рис. 4.2 ввести дополнительный управляющий электрод (УЭ), связанный с областью или с базой транзистораVT2, то получится переключающий прибор, называемый тиристором. Подавая на управляющий электрод положительное относительно катода напряжение, можно отпереть переход эмиттер-база VT2 и вызвать протекание в цепи его эмиттера дополнительного тока протекающего по цепи управляющего электрода. В этом случае уравнение баланса токов будет иметь вид откуда .

Таким образом при ток через тиристор с ростом прямого напряжения между катодом и анодом будет нарастать быстрее. Так как с увеличением токаувеличивается и значение, то включение прибора произойдет при меньшем анодном напряжении, чем в ситуации, когда. При некотором токе управляющего электрода, называемом током спрямления ,из-за приближения к единице соотношениеначинает выполняться для прямых напряжений, составляющих доли вольта. В данной ситуации вольтамперная характеристика тиристора вырождается в характеристику, соответствующую полупроводниковому диоду, как это показано на рис. 4.5, где приведен схематический вид вольтамперных характеристик триодного тиристора для разных значений управляющего тока. Притриодный тиристор превращается в динистор.

Рис. 4.5. Вольтамперные характеристики триодного тиристора.

Так как после включения тиристора выполнение соотношения обеспечивается протекающим анодным током, то выключить обычный тиристор по управляющему электроду невозможно даже при смене полярности напряжения на нем. Как и для динистора, единственный способ выключить тиристор состоит в принудительном снижении протекающего тока до величины, меньшей тока удержания.

Зависимость напряжения включения тиристора от тока управляющего электрода имеет вид, приведенный на рис. 4.6. Из нее следует, что если при между катодом и анодом приложено напряжение, то тиристор будет находиться в закрытом состоянии. Увеличение тока управляющего электрода до величины, большей, заставит тиристор включиться и он будет находиться в таком состоянии, даже если ток управляющего электрода вновь сделать равным нулю. Отсюда следует, что тиристор можно перевести в открытое (проводящее) состояние, то есть включить его путем подачи короткого импульса тока в цепь управляющего электрода. Данный эффект можно интерпретировать как запоминание тиристором результата воздействия по цепи управляющего электрода.

Рис. 4.6. Характеристика управления триодного тиристора.

Если осветить область запертого p-n перехода (рис. 4.2), то вследствие внутреннего фотоэффекта в ней начнут генерироваться пары носителей тока, которые под действием внешнего электрического поля будут дрейфовать к областям анода и катода. С ростом освещенности количество генерируемых носителей, а следовательно, токи и соответствующие коэффициентыбудут увеличиваться. При некотором значении освещенности выполнится соотношение, и тиристор включится. На данном принципе управления основана работа так называемых фототиристоров.

Усложнение внутренней структуры позволило создать тиристоры с симметричной вольтамперной характеристикой – симисторы, вольтамперная характеристика которых и обозначение на электрических схемах приведены на рис. 4.7.

Рис. 4.7. Вольтамперная характеристика и условное обозначение симистора.

Путем модификации структуры области управляющего электрода были разработаны тиристоры, которые называются запираемыми (рис. 4.8). Их особенность в том, что по цепи управления имеется возможность не только включения, но и выключения тиристора при смене полярности напряжения (тока управленимя) на нем. Такие тиристоры характеризуются дополнительным параметром, который называется током запирания . Это ток управляющего электрода, при котором происходит выключение запираемого тиристора. Его связь с величиной анодного тока отражена на графике (рис. 4.9).

Запираемый тиристор может быть открыт и закрыт путем подачи на управляющий электрод коротких импульсов напряжения (тока) соответствующей величины и полярности.

Рис. 4.8. Вольтамперные характеристики и обозначение на схемах запираемого тиристора.

Рис. 4.9. Зависимость тока запирания от величины прямого тока через тиристор.

Кроме статических параметров, рассмотренных выше, тиристоры характеризуются и рядом динамических (скоростных) параметров. Основными из них являются:

–время включения или время перехода из выключенного состояния во включенное. Для разных типов тиристоров оно лежит в пределах от сотен наносекунд до десятков микросекунд;

–время выключения – интервал времени с момента прекращения анодного тока до момента восстановления непроводящих свойств центрального p-n перехода;

–максимально допустимая скорость нарастания прямого напряжения;

–максимальная скорость изменения прямого тока.

Введение последних параметров обусловлено тем, что при подаче на анод тиристора импульсного напряжения с высокой скоростью его изменения (с короткими фронтами), тиристор может самопроизвольно включиться за счет появления тока управляющего электрода при перезарядке паразитных емкостей. При больших скоростях изменения тока возникают локальные перегревы кристалла, что в итоге может привести к выходу тиристора из строя.

Описание лабораторной установки.

Установка для проведения лабораторной работы № 4 «Исследование переключающих приборов» состоит из лабораторного и измерительного стендов, внешний вид передних панелей которых приведен на рис. 4.10 и рис. 1.8. Лабораторный стенд содержит регулируемый источник питания с диапазоном изменения выходного напряжения от 0 до +25В и возможностью отключения положительного напряжения от соответствующих гнезд путем нажатия кнопки с надписью «Выкл. Е».

В выходной цепи источника питания имеется токоограничительный резистор сопротивлением 120 Ом, параллельно которому подключена индикаторная цепочка, состоящая из красного светодиода и резистора, как показано на рис. 4.11. Зажигание светодиода свидетельствует о снижении напряжения на выходных клеммах источника питания, что может происходить при переходе испытуемого тиристора в проводящее состояние.

-

Рис. 4.11. Схема включения источников питания лабораторного стенда.

Тумблер включения источника питания, ручка регулировки выходного напряжения и выходные гнезда размещены в правой части лабораторного стенда.

Кроме того, в состав стенда входит регулируемый источник тока управления и миллиамперметр РА для измерения его величины. Выходные гнезда источника с надписью и ручка регулировки расположены в нижней части передней панели лабораторного стенда.

Кнопки с символами “” и “” используются для формирования в правом гнезде, связанном с ними, положительных и отрицательных импульсов тока величиной порядка 50 мА. При отпущенных кнопках правое и левое гнезда, связанные с ними, соединяются между собой. В момент нажатия любой из кнопок связь между гнездами разрывается, и в цепи, подключенной к правому гнезду, формируется соответствующий импульс тока. Данная цепочка используется при импульсном режиме управления тиристорами. Ее схема также приведена на рис. 4.11.

В лабораторной работе исследуются характеристики динистора, реализуемого на двух комплементарных кремниевых транзисторах VT1 и VT2, а также незапираемого тиристора КУ20IK (VS1) и запираемого – КУ204Б (VS2).

Включение питания лабораторного стенда производится тумблером «Вкл.». О функционировании источников напряжения и тока свидетельствует свечение зеленого светодиода.

Порядок проведения лабораторной работы.

1. Домашняя подготовка.

В ходе домашней подготовки требуется, пользуясь справочной литературой, определить и записать в рабочую тетрадь основные параметры тиристоров, которые используются в ходе данной работы, а также зарисовать схемы для проведения измерений и таблицы для записи результатов исследований.

2. Проведение лабораторной работы.

2.1. Исследование динистора.

2.1.1 Исследование прямой ветви вольтамперной характеристики) динистора.

Собрать, используя транзисторы VT1 и VT2, схему, представленную на рис. 4.12. Установить ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение (), предел измеренияPA1 – 0,1мА, PV1 – 30В.

Рис. 4.12. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики динистора.

Включить лабораторный стенд. Плавно увеличивая выходное напряжение источника питания, снять зависимость тока через динистор от приложенного напряжения и занести полученные результаты в таблицу:

(В)	0	3	6	9	12	15
(мА)								80	100

При напряжении динистор переходит в проводящее состояние, о чем сигнализирует зажигание красного светодиода на панели стенда. Падение напряжения на динисторе становится порядка 1В, а ток через него ограничивается лишь сопротивлением, имеющимся в источнике питания. После включения миллиамперметрPA1 зашкаливает, поэтому предел его измерения необходимо сделать равным 100мА, а вольтметр PV1 переключить на предел 0,75В.

Вращая ручку регулятора напряжения вправо, установить величину тока 80мА и замерить падение напряжения на динисторе, далее аналогичное измерение провести при токе 100мА, и полученные результаты занести в ту же таблицу.

Если точно зафиксировать напряжение не удалось, необходимо после включения динистора повернуть ручку регулятора на несколько оборотов влево и нажать кнопку «Выкл. Е». Динистор при этом выключится, и можно будет повторить процесс измерения требуемых параметров.

Проведя данный цикл измерений, необходимо снять зависимость напряжения на динисторе во включенном состоянии от протекающего тока. Для этого включить динистор и, устанавливая токи равными 100мА, 80мА, 50мА, 30мА, 20мА, 10мА, 5мА, 2мА, 1мА, измерить падение напряжения на нем, заполнив следующую таблицу:

(мА)	100	80	50	30	20	10	5	2	1
(В)

При токе, равном току удержания , динистор выключается, и показания миллиамперметра скачком изменятся практически до нуля при неизменном напряжении.

2.1.2 Исследование обратной ветви ВАХ динистора.

Собрать схему, приведенную на рис. 4.13. Изменяя напряжение, подаваемое на динистор, от нуля до максимального значения, провести измерения обратного тока и занести полученные данные в таблицу:

(В)	0	3	6	9	12	15	18	21	24
(мА)

Предел измерения PA1 должен быть при этом 0,1 мА, а PV1 – 30В.

Рис. 4.13. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики динистора.

2.2. Исследование тиристора.

2.2.1 Исследование прямой ветви вольтамперной характеристики тиристора.

Собрать, используя тиристор VS1, схему, приведенную на рис. 4.14. Установить ручки регуляторов напряжения и тока в крайнее левое положение (,), предел измеренияPA1 – 10мА, PV1 – 30В.

Задать нулевой ток управляющего электрода, для чего разомкнуть цепь, связывающую вывод источника тока управления с зажимом кнопки, обозначенной “”. Включить стенд. Плавно увеличивая напряжение источника питания, провести измерения тока, протекающего через тиристор, и записать полученные данные в таблицу:

(В)	0	3	6	9	12	15	18	21	24
(мА)

Вернуть ручку регулятора напряжения в крайнее левое положение и восстановить связь кнопки с цепью управляющего электрода.

Рис. 4.14. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики тиристора.

Задать напряжение на тиристоре равным 21В и, плавно увеличивая ток управляющего электрода (его величина контролируется встроенным в лабораторный стенд миллиамперметром), добиться включения тиристора. Не изменяя ток управления провести исследование вольтамперной характеристики прямой ветви тиристора по методике, описанной во второй части п. 2.1.1.

Выключить тиристор, нажав при кнопку «Выкл. Е», установить напряжение питания 15В и определить ток управления, вызывающий включение тиристора. Аналогичные исследования провести для=9В и=3В.

Задаваемые в ходе эксперимента значения токов управляющего электрода должны быть зафиксированы в рабочей тетради.

Выключить тиристор. Подобрать ток управляющего электрода таким, чтобы тиристор включался при напряжении питания 0,81В, а его вольтамперная характеристика была бы аналогична прямой ветви вольтамперной характеристики полупроводникового диода. Данный ток управления будет равен току спрямления. Провести измерения токов и напряжений прямой ветви вольтамперной характеристики, зафиксировав полученные результаты в соответствующей таблице. Установить ток управляющего электрода на 5мА больше тока спрямления и провести аналогичный цикл измерений.

2.2.2. Исследование процессов управления тиристором.

Отключить от точки «а» (рис. 4.14) источник тока управления,, выключить тиристор, установить максимальное напряжение питания. Кратковременно нажать кнопку с надписью “”. При этом в цепи управляющего электрода тиристора сформируется импульс тока величиной порядка 50мА, тиристор включится и будет оставаться в таком состоянии и после отпускания кнопки.

Попытаться выключить тиристор по цепи управляющего электрода, нажав кнопку с надписью “”. При этом между катодом и управляющим электродом прикладывается запирающее напряжение величиной порядка 5В. Попытаться выключить тиристор нажатием кнопки «Выкл. Е». Зафиксировать наблюдаемые явления.

2.2.3 Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики тиристора.

Собрать, используя тиристор VS1 схему, приведенную на рис. 4.15.

Рис. 4.15. Схема для исследования обратной ветви вольтамперной характеристики тиристора.

Провести цикл измерений, аналогичных описанным в п. 2.1.2 и заполнить соответствующую таблицу.

2.3. Исследование запираемого тиристора.

2.3.1 Исследование прямой ветви ВАХ запираемого тиристора при положительных токах управления.

Собрать, используя тиристор VS2, схему, приведенную на рис. 4.14.

Провести исследования прямой ветви вольтамперной характеристики VS2 при положительных токах управления по методике, описанной в п. 2.2.1.

2.3.2. Исследование прямой ветви ВАХ запираемого тиристора при отрицательных токах управления.

Собрать, используя VS2, схему, приведенную на рис. 4.16. Она отличается от схемы на рис. 4.14 лишь противоположной полярностью подключения источника тока управления. Отсоединить цепь управления, разорвав связь гнезда «–» источника тока с гнездом у кнопки с надписью “”. Ток управления при этом будет равен нулю. Установить предел измерения PA1 – 100мА, PV1 – 30В, ручку регулятора напряжения перевести в крайнее правое положение, при этом .

Рис. 4.16. Схема для исследования прямой ветви вольтамперной характеристики запираемого тиристора при отрицательных токах управления.

После включения лабораторного стенда, нажатием кнопки с обозначением “”, перевести тиристор во включенное состояние. Уменьшить напряжение источника питания, определить величину тока удержания.

Восстановить цепь питания управляющего электрода. Задавая ток управления равным: -1мА, -3мА, - 4мА, -5мА, -6мА, провести измерения токов удержания и занести полученные результаты в таблицу:

(мА)	0	-1	-3	-4	-5	-6

Снять зависимость тока запирания от величины прямого тока через тиристор. Для этого установить минимальное значение тока запирающего электрода. Кнопкой “” включить тиристор. Задать с помощью регулятора напряжения ток через него равным 100мА и, увеличивая ток управляющего электрода, добиться запирания тиристора. Значение тока запирания занести в соответствующую графу таблицы:

(мА)	100	90	80	70	50
(мА)						0

Провести аналогичные измерения для остальных величин прямых токов, вплоть до тока удержания.

2.3.2 Исследование процессов управления запираемым тиристором.

Используя собранную ранее схему, разорвать, как было описано ранее, цепь питания управляющего электрода, выключить нажатием кнопки «Выкл. Е» тиристор, установить максимальное напряжение питания.

Кратковременно нажать кнопку с обозначением “”. Тиристор должен включиться и остаться в таком состоянии и после отпускания кнопки.

Кратковременно нажать кнопку с обозначением “”. При этом в цепи управляющего электрода будет протекать запирающий ток величиной порядка 50мА, и тиристор выключится, сохранив свое состояние и после отпускания кнопки.

Включить тиристор по управляющему электроду. Выключить его по цепи питания нажатием кнопки «Выкл. Е». Записать в рабочую тетрадь наблюдаемые явления.

2.3.4 Исследование обратной ветви вольтамперной характеристики запираемого тиристора.

Собрать, используя тиристор VS2, схему, приведенную на рис. 4.15. Провести цикл измерений, аналогичных описанным в п. 2.1.2, и записать в соответствующую таблицу.

Обработка экспериментальных результатов.

3.1. Обработка результатов пунктов 2.1.1, 2.1.2.

Построить на одном листе миллиметровки прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики динистора, взяв масштаб по оси напряжений 3В/см, по оси токов для прямой ветви 10мА/см, для обратной 10мкА/см. На отдельном листе миллиметровки построить участок прямой ветви для диапазона прямых токов 02мА, используя масштаб по оси напряжений 1,5В/см, по оси токов 0,2мА/см. Отметить на данных графиках характеристические точки вольтамперной характеристики динистора.

3.2. Обработка результатов, полученных при выполнении пунктов 2.2.12.2.3.

Построить на одном листе миллиметровки семейство прямых ветвей вольтамперных характеристик тиристора для различных токов управляющего электрода и обратную ветвь, взяв масштабы по оси напряжений: для прямой ветви 1,5В/см, для обратной 6В/см, а по оси токов: для прямой ветви 10мА/см, для обратной 20мкА/см. Отметить характеристические точки вольтамперной характеристики.

На другом листе миллиметровки построить характеристику управления тиристора – зависимость от. Она строится по результатам исследований прямой ветви вольтамперной характеристики при различных токах управляющего электрода. Масштаб по оси токов выбрать равным 1мА/см, а по оси напряжений 3В/см.

Объяснить результаты, полученные при выполнении пункта 2.2.2.

3.3. Обработка результатов исследования запираемого тиристора (п. 2.3.12.3.4).

На одном листе миллиметровки построить семейство прямых ветвей вольтамперных характеристик запираемого тиристора для соответствующих значений прямых токов управления и обратную ветвь, взяв масштабы по оси токов и напряжений, аналогичные указанным в п. 3.2.

Совместно отобразить прямые ветви вольтамперных характеристик запираемого тиристора для совокупности положительных и отрицательных значений токов управления, используя результаты, полученные при выполнении пунктов 2.3.1, 2.3.2, и взяв масштаб по оси токов 10мА/см, а по оси напряжений 1,5В/см. Отметить на графиках характеристические точки.

Построить график зависимости тока удержания от величины запирающего тока управляющего электрода, выбрав масштаб по осям – 10мА/см, по оси– 2мА/см.

Построить график зависимости тока запирания от величины прямого тока через тиристор, взяв масштаб по осям соответственно 2мА/см и 10мА/см.

Объяснить результаты, полученные при выполнении пункта 2.3.3.