Лабораторная работа № 15

Изучение работы тиристора

Цель работы: ознакомление с принципом работы полупро­водникового

ключевого прибора — тиристора.

Приборы: динистор «КМ-102», тринистор «КУ-202Д», источник тока, осциллограф «ЕО-213», диоды «Д-220», лампа накаливания «ДА-8156» (светодиод), миллиамперметр «АВО-5М1», вольтметр «АВО-5М1».

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ

Тиристоры относятся к классу управляемых переключающих полупроводниковых устройств. Тиристоры бывают двух видов: двухэлектродные диодные (динисторы) и управляемые трехэлектродные триодные (тринисторы). Тринистор обладает способностью открываться, то есть пропускать электрический ток в цепи между катодом и анодом при подаче на управляющий электрод положительного относительно катода, открывающего импульса напряжения. Проводящее состояние тиристора сохраняется и при снятии управляющего сигнала. И сохраняется до тех пор пока ток анода превосходит некоторое значение называемое током удержания. Динисторы подобны двухэлектродным газоразрядным приборам с точки зрения вольт-амперной характеристики. При некотором напряжении на аноде (напряжении пробоя) наступает резкое уменьшение сопротивления анод – катод, которое сохраняется, пока анодный ток превосходит ток удержания.

По сравнению с газоразрядными лампами тиристоры способны работать при больших токах и имеют меньшие падения напряжения в проводящем состоянии, обладают меньшими размерами и большей надежностью.

В сравнении с транзисторами тиристоры обладают своими преимуществами и недостатками. К преимуществам тиристоров относятся: возможность работы при обратных анодных напряжениях в закрытом состоянии, возможность работы при токах до нескольких и при напряжениях до нескольких , а также тем, что при использовании тиристоров отсутствует необходимость в специальном закрывающем импульсе (хотя существуют и принудительно запираемые тиристоры отрицательным управляющим импульсом). К недостаткам тиристоров относятся: более низкое быстродействие и невозможность плавного регулирования проводимости, а также сравнительно большая величина падения напряжения между катодом и анодом в открытом состоянии. Таким образом, сфера применения тиристоров оказывается более предпочтительной в сравнении с транзисторами в силовых коммутирующих электроустановках.

УСТРОЙСТВО ТИРИСТОРА

Основу тиристора составляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной ( ) и электронной ( ) проводимостями (рис. 1). Эти четыре слоя образуют три -перехода . Крайнюю область , к которой подключается положительный полюс источника, на­зывают анодом; крайнюю область , к которой подключен отри­цательный полюс источника, — катодом.

Название «тиристор» относится ко всем переключающим уст­ройствам с тремя и более -переходами. Приборы, имеющие два вывода (анод и катод), называются диодными тиристорами или динисторами.

Физические процессы в динисторе

Как видно из рис. 1, -переходы и включаются в пря­мом направлении, а переход — в обратном. Пусть напряжение, приложенное к тиристору, мало. Тогда оче­видно, что ток, протекающий через тиристор, будет определяться переходом : переходы и открыты, их сопротивление мало, а сопротивление перехода — большое. Поэтому начальный участок вольт-амперной ха­рактеристики тиристора (рис. 2) подобен вольтамперной ха­рактеристике -перехода в обратном направлении. Отметим, что ток через переход создан перемещением через него неосновных носителей в прилегающих областях: элек­троны являются неосновными но­сителями в средней -области, а дырки— в средней -области.

Рис.1. Система -переходов.

По мере увеличения напряжения, прикладываемого к тиристо­ру, растут прямые токи через переходы и — в соответствии с характеристикой -перехода в прямом направлении. В ре­зультате в среднюю -область через переход инжектируется все большее количество электронов, а в среднюю -область — все большее количество дырок через переход . Таким образом, кон­центрация не основных носителей в областях, прилегающих к пере­ходу , возрастает. Следствием этого является уменьшение сопротивления перехода . В результате — это очень важный мо­мент — происходит перераспределение падений напряжения между переходами . Если при малом напряжении, приложенном к тиристору, почти все оно падало на переходе , то по мере увеличения этого нап­ряжения сопротивление перехода , как уже было сказано, уменьшается, а так как ток через все три перехода один и тот же по величине, то в соответствии с законом Ома на переходе падает все меньшая доля напряжения, действующего на тиристо­ре. Это означает, что напряжение, действующее на переходах и , возрастает еще больше.

Теперь обратим внимание на то, что вольтамперная характеристика -перехода в прямом направлении не линейна: по мере увеличения внешнего напряжения, прикладываемого к тиристору, токи через переходы и растут все сильнее. В средние - и -области инжектируется все больше и больше не основных но­сителей, сопротивление перехода падает все быстрее, что в свою очередь приводит к тому, что на переходах и оказы­вается все большее и большее напряжение (точка на рис. 2). А это вызывает дальнейшее возрастание тока через переходы и . Наконец, при некотором внешнем напряжении на тиристоре этот процесс приобретает лавинообразный характер.

Ток резко возрастает на участке . Его величина ограничивается сопротивлением нагрузки , включенным последовательно с тиристором. При этом сопротив­ление перехода и тиристора в целом уменьшается настолько, что на самом тиристоре падает всего около одного вольта напря­жения, а все остальное падает на резисторе . Неосновных носителей в областях, прилегающих к переходу , теперь так много, что этот переход можно считать включенным в прямом направлении.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика тиристора.

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики тиристора при различных

управляющих токах.

Когда тиристор открыт, все три перехода включены в прямом направлении. Таким образом, если при напряжении , приложенном к тири­стору, меньшем напряжения включения , тиристор был за­перт, т. е. практически не пропускал ток, то при тиристор отпирается (включается) и ток через него ограничивается лишь величиной сопротивления нагрузки .

Феноменологическое описание ВАХ динистора

Для объяснения ВАХ динистора используют двухтранзисторную модель. Из рис. 4 следует, что тиристор можно рассматривать как соединение -транзистора с -транзистором, причем коллектор каждого из них соединен с базой другого. Центральный переход действует как коллектор дырок, инжектируемых переходом , и как коллектор электронов, инжектируемых переходом .

Рис. 4. Двухтранзисторная модель диодного тиристора.

Взаимосвязь между токами эмиттера , коллектора и статическим коэффициентом усиления по току -транзистора и -транзистора следующая. Представляя динистор как два транзистора, запишем следующие соотношения.

Пусть - ток через переход . Тогда часть тока , дошедшая до коллекторного перехода → , будет равна:

.    (4.1)

Если - ток через переход , аналогично:

    (4.2)

Учтем еще один фактор - лавинное умножение в переходе через коэффициент лавинного умножения . Тогда суммарный ток через переход будет равен:

,     (4.3)

где - обратный ток перехода (генерационный и тепловой).

В стационарном случае токи через переходы равны, тогда

, (4.4)

откуда

    (4.5)

где - суммарный коэффициент передачи тока первого и второго -транзисторов.

Выражение (4.5) в неявном виде описывает ВАХ диодного тиристора на «закрытом» участке, поскольку коэффициенты и зависят от приложенного напряжения . По мере роста и с ростом , когда значение станет равно , из уравнения (4.5) следует, что ток устремится к . Это условие и есть условие переключения тиристора из состояния «закрыто» в состояние «открыто».

Напряжение переключения составляет у тиристоров от до , а ток переключения - от долей до единиц (в зависимости от площади).

Таким образом, в состоянии «закрыто» тиристор должен характеризоваться малыми значениями и , а в состоянии «открыто» - большими значениями коэффициентов и .

В закрытом состоянии ( - малы) все приложенное напряжение падает на коллекторном переходе и ток тиристора - это ток обратно смещенного -перехода. Энергетическая диаграмма тиристора в состоянии равновесия приведена ранее на рис. 4, а в режиме прямого смещения («+» на слое ) в закрытом состоянии представлена на рис. 5.

Рис. 5. Зонная диаграмма и токи в тиристоре в закрытом состоянии.

Если полярность напряжения между анодом и катодом сменить на обратную, то переходы и будут смещены в обратном направлении, а - в прямом. ВАХ тиристора в этом случае будет обычная ВАХ двух обратносмещенных -переходов.

Тиристор

Если от одной из средних областей сделан вывод, то получа­ется управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или тринистором. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать величину . Чем больше ток через такой управляющий переход , тем ниже будет . Это свойство тринистора наглядно показывают его вольт-ам­перные характеристики, изображенные на рис. 3 для различных значений управляющего тока . Чем больше управляющий ток, тем сильнее инжекция неосновных носителей к среднему переходу и тем меньшее напряжение на тиристоре требутся для того, чтобы произошло отпирание прибора. Наиболее высокое получается при отсутствии управляющего тока, когда тринистор превраща­ется в динистор. И, наоборот, при значительной величине характеристика тринистора приближается к характеристике пря­мого тока обычного диода. Зависимость между и , назы­ваемая пусковой характеристикой тиристора, изображена на

рис. 4.

Применение тиристоров

Тиристоры широко применя­ются в радио- и электротехнике как переключающие устройства. Они используются при констру­ировании генераторов импульсов различной формы, в схемах выпрямителей, для регулирования мощности переменного тока.

Рассмотрим фазовое управ­ление током тиристора. Пусть пе­ременное напряжение прило­жено к последовательно соеди­ненным тиристору и резистору на­грузки (рис. 6), а к управляю­щему электроду напряжение подается с фазосдвигающей -цепи. Изменяя величину сопротивле- ния резистора , можно менять фазовый сдвиг между напряжением на аноде тиристора и на управляющем электроде ( (рис. 7)). Напряжение вызывает соответствующий ток.

Рис. 6. Пусковая характе­ристика тиристора.

Рис. 7. Схема для иллю­страции фазового управ­ления током с

помощью тиристора.

Очевидно, что тиристор откроется в тот момент времени , когда соотношение между и будет соответствовать какой-либо точке на пусковой характеристике тиристора (см. рис. 4). В мо­мент включения через тиристор и потечет ток , а величина тока управляющего электрода

будет иметь малое значение. Падение напряжения на открытом тиристоре тоже будет иметь малое значение. В некоторый момент времени тиристор закроется. Изменяя фазовый сдвиг между напряжениями и , можно сдвигать момент отпирания тиристора и, таким образом, изменять про­должительность открытого состояния тиристора . Тем самым можно регулировать средний за период ток через резистор .

Вольт-амперная характеристика диодного тиристора, приведенная на рис. 8, имеет несколько различных участков. Прямое смещение тиристора соответствует положительному напряжению , подаваемому на первый -эмиттер тиристора.

Участок характеристики между точками 1 и 2 соответствует закрытому состоянию с высоким сопротивлением. В этом случае основная часть напряжения падает на коллекторном переходе , который в смещен в обратном направлении. Эмиттерные переходы и включены в прямом направлении. Первый участок ВАХ тиристора аналогичен обратной ветви ВАХ -перехода.

При достижении напряжения , называемого напряжением включения , или тока , называемого током включения, ВАХ тиристора переходит на участок между точками 3 и 4, соответствующий открытому состоянию (низкое сопротивление). Между точками 2 и 3 находится переходный участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, не наблюдаемый на статических ВАХ тиристора.

Рис. 8. ВАХ тиристора: - напряжение между анодом и катодом; - минимальный

удерживающий ток и напряжение; - ток и напряжение

включения.

Описание экспериментальной установки

Ознакомление с тиристором, снятие его характеристик произ­водится на установке, основным элементом которой является спе­циальная монтажная панель. На этой панели расположен тиристор, некоторые вспомогательные элементы и гнезда для подклю­чения приборов. Схема панели изображена на рис. 9. На схеме указаны также приборы, расположенные вне панели.

Для создания управляющего тока на гнезда подается напряжение, регулируемое в пределах , с источника пита­ния (ток < ). Резисторы образуют делитель напря­жения, необходимый для плавной регулировки тока управляющего электрода ( ) (в дополнение к регулировке в источнике питания). Миллиамперметр с пределом измерения предназначен для измерения тока управляющего электрода ти­ристора.

При снятии характеристик тиристора ток управляющего элект­рода изменяется в весьма небольших пределах. Уловить эти изме­нения по стрелочному прибору практически невозможно. По­этому в цепь этого тока включен дополнительный резистор , падение напряжения на котором регистрируется цифровым элект­ронным вольтметром .

На анод тиристора (гнездо ) подается либо переменное напряжение от генератора, либо постоянное напряжение от источника питания.

Миллиамперметр служит для измерения тока через тирис­тор.

Резистор ограничивает ток через тиристор. Он может также использоваться для более точных измерений этого тока посредст­вом измерения падения напряжения на нем цифровым вольтмет­ром.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки.

В правой части специальной панели расположена схема, пред­назначенная для демонстрации управления величиной тока с по­мощью тиристора. В этом случае переменное напряжение от ге­нератора подключается к гнездам и . Тиристор, будучи отключенным от элементов предыдущей схемы, подсоединяется следующим образом: анод –

к гнезду , управляющий элект­род — к гнезду , катод — к гнезду . Нагрузкой является лампа накаливания, напряжение с которой подается на вход Y осциллографа. Сопротивления и вместе с конденса­тором образуют фазовращающую цепочку. Изменяя величину , можно менять фазу напряжения, действующего на управляю­щем электроде тиристора, относительно напряжения на его аноде. При определенном соотношении между фазами этих напряжений управляющий ток .и анодное напряжение тиристора оказываются такими, что тиристор открывается и остается открытым, пока с те­чением времени (в пределах полупериода) анодное напряжение не станет таким, что тиристор закроется. Меняя соотношение между фазами напряжений, действующих на управляющем элект­роде и на аноде тиристора, можно менять продолжительность отк­рытого состояния тиристора, т. е. величину среднего тока, теку­щего через тиристор.

Мостиковая схема из диодов позволяет открывать тиристор и в положительный и в отрицательный полупериоды переменного напряжения, подаваемого на схему от генератора. При указанном включении нагрузки через нее течет ток, среднее значение кото­рого можно изменять.

Упражнения

1. Наблюдение вольт-амперной характеристики тиристора на экране осциллографа

Рис. 10. Схема для наблюдения вольтамперной характеристики

тиристора на экране осциллографа.

Собрать схему в соответствии с рис. 10. От генератора к гнез­дам и подать напряже­ние величиной . В цепь управляющего электрода по­дать постоянное напряжение . Величину управляюще­го тока с помощью регулиров­ки на передней панели источ­ника и переменного резистора установить такой, чтобы ти­ристор открылся, - при этом на экране появится изображе­ние его вольтамперной характеристики. Меняя ток управ­ляющего электрода, наблюдать изменение потенциала откры­вания тиристора, т. е. смещение крайней правой точки на харак­теристике. Зарисовать одну из характеристик.

2. Снятие пусковой характеристики тиристора

Пусковую характеристику тиристора будем снимать, подавая на анод переменное напряжение. Подключить к резистору цифровой вольтметр (см. рис. 8), установить переменное напряжение на аноде тиристора . Если тиристор открыт — закрыть его, уменьшив управляющий ток. Затем, плавно его увеличивая, включить тиристор. О закрытии и открытии тиристора можно су­дить по осциллограмме или показаниям миллиамперметра . Момент включения тиристора зафиксировать, занеся в таблицу значения и ,— падение напряжения на резисторе . в момент включения тиристора. Затем установить следующее зна­чение , увеличивая управляющий ток, открыть тиристор, занес­ти в таблицу новую пару значений и и т. д. Для каж­дой точки, в которой производились измерения, вычислить величи­ну управляющего тока и занести в таблицу. Изобразить графически зависимость между и .

3. Снятие вольт-амперной характеристики тиристора

Эту характеристику снять на «постоянном токе», для чего вместо переменного напряжения подать на гнездо постоянное напряжение с выхода «20—300V» источника (см. рис. 10). Цифро­вой вольтметр переключить непосредственно на тиристор, между его выводами «анод» и «катод». Осциллограф отключить от схемы.

Установить одно из значений управляющего тока, при котором тиристор открывался в предыдущем упражнении. Изменяя напряжение, подаваемое на анод тиристора от источника, снять зависимость между — напряжением на аноде тиристора, измеряемым цифровым вольтметром , и током , текущим через тиристор. Этот ток измеряется миллиамперметром . Резуль­таты измерений занести в таблицу. Аналогичные измерения сделать для какого-либо другого зна­чения . Зависимость между и для обоих значений изобразить графически.

4. ФАЗОВОЕ УПРАВЛЕНИЕ ТОКОМ С ПОМОЩЬЮ ТИРИСТОРА

Собрать схему в соответствии с рис. 9, б. Осциллограф поста­вить в режим внутренней развертки. Подать на гнезда и от генератора напряжение величи­ной примерно . Вращая ручку переменного резистора наблюдать изменение осциллограммы тока, проходящего через лампу . Сопоставить осциллограммы тока через лампочку для двух различных положений ручки переменного резистора .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какой вид имеет вольтамперная характеристика -перехода?

2. Каково устройство тиристора?

3. Какие бывают тиристоры?

4. Какой вид имеет вольтамперная характеристика динистора?

5. Почему при некотором напряжении на динисторе происходит его

включение?

6. Объяснить действие управляющего электрода тринистора.

7. Объяснить принцип фазового управления величиной переменного тока

через нагрузку с помощью тиристора.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашников С. Г. Электричество. М.: Наука, 1985, § 152, 153.

2. Жеребцов И. П. Основы электроники. М.: Энергия, 1974, § 2—9.

3. Гуртов В.А., Артамонов О.Н., Ветров А.С. Твердотельная электроника.

2003, $7.2-7.3

12