Лабораторная работа № 8
Изучение статических характеристик тиристора
Лабораторная работа № 8
Изучение статических характеристик тиристора
Цель работы — изучение принципа работы и вольтамперных характеристик тиристора р-n-р-n типа, определение его основных параметров.
Приборы и принадлежности: осциллограф С1-83, лабораторный стенд, исследуемые элемент.
Введение
Тиристор - полупроводниковый прибор на основе монокристалла полупроводника с многослойной структурой типа р-n-р-n (с тремя или более электронно-дырочными переходами), обладает свойством электрического вентиля. Обычно тиристор имеет три вывода: два из которых (катод и анод) контактируют с крайними областями монокристалла, а третий (управляющий электрод) - с одной из промежуточных областей. Такой управляемый тиристор называется триодным тиристорам или тринистором, в отличие от неуправляемого имеющего два вывода (катод или анод) и называемого диодным тиристором или динистором.
Рассмотрим физические процессы и закономерности, определяющие характер изменения тока I, протекающего через четырехслойную структуру, в зависимости от приложенного к ней напряжения U (рисунок 1).
Переходы П1 и П3 будем называть далее эмиттерными переходами, соответственно внешние р- и n-области, к ним примыкающие, — эмиттерами. Центральный р-n-переход П2 назовем коллекторным.
Рисунок 1 – Структурная схема тиристора.
Внутренние р- и n-области структуры назовем базами. Пусть напряжение U приложено к структуре р-n-р-n, как показано на рисунок 1. При этом эмиттерные р-n-переходы будут смещены в прямом направлении и коллекторный р-n переход— в обратном направлении.
Внешнее напряжение U в этом случае считается положительным, а при обратной полярности — отрицательным.
Для большей наглядности представим тиристор в виде комбинации двух транзисторов, соединенных между собой, как показано на рисунке 2
Рисунок 2 - Двухтранзисторная модель тиристора
Рассмотрим коротко механизм включения тиристора с помощью управляющего тока. Управляющий ток Iупр одновременно является базовым током Iб2_ n1-р2-n2 транзистора. Этот базовый ток вызывает инжекцию носителей заряда через эмиттерный переход ПЗ и коллекторный ток этого транзистора Ik2 = . Ток Iк2 является одновременно базовым током IБ1 для р1-n1-р2 транзистора. Этот базовый ток обусловливает инжекцию носителей заряда через эмиттерный переход П1, в результате чего коллекторный ток Ik1 = . Ток IK1 в сумме с током Iу образуют ток IБ2, т. е. ток Iк1 увеличивает ток управления, или, другими словами, является током внутренней положительной обратной связи (ПОС).
В результате действия ПОС сигнал управления:
(1)
Таким образом, если коэффициенты n и p достаточны для того, чтобы усиление в контуре обратной связи было больше единицы, базовые токи будут быстро нарастать и оба транзистора окажутся насыщенными даже после того, как управляющий ток будет уменьшен до нуля, при этом коллекторный переход П2 будет смещен в прямом направлении. Таким образом, все три перехода будут иметь прямое смещение, и от анода к катоду через тиристор может протекать большой ток при малом падении напряжения на приборе.
ВАХ тиристора представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 – ВАХ тиристора
Участок ОА соответствует выключенному состоянию тиристора и характеризуется следующими параметрами: Iут – ток утечки - прямой ток через тиристор при напряжении, равном половине напряжения Uвкл; Uвкл - напряжение включения, при котором происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое; Iвкл - ток включения, соответствующий напряжению Uвкл (точка А).
Вблизи точки А ток через тиристор изменяется значительно даже при небольшом увеличении напряжения. На участке АБ дифференциальное сопротивление диода отрицательное. Поэтому, если последовательно с тиристором включено небольшое сопротивление, при выходе рабочей точки на участок АБ (когда напряжение на тиристоре достигает напряжения Uвкл) она быстро переместится на участок БВ, который характеризуется положительным дифференциальным сопротивлением. Таким образом, происходит включение тиристора. Положение рабочей точки на участке БВ будет определяться питающим напряжением и сопротивлением, включенным последовательно с тиристором. Этот участок характеризуется параметрами: Iпр.макс. - прямым максимальным током или средне допустимым, Uост -остаточным напряжением, соответствующим Iпр.макс. Важным параметром тиристора является пусковая характеристика (рисунок 4), это зависимость UВкл от IВкл при постоянном управляющем токе.
Рисунок 4 – Пусковая характеристика тиристора
Основные параметры тиристора:
1. Максимальное прямое напряжение на диоде, называемое напряжением включения UВкл.
2. Ток включения IВкл..
3. Минимальное прямое напряжение Uвыкл..
4. Ток выключения IВыкл.
5. Остаточное напряжение Uост.
6. Ток утечки Iут, соответствующий прямому предельно-допустимому напряжению Uобр
7. Ток утечки в обратном направлении Iобр.ут, соответствующий отрицательному предельно допустимому напряжению Uoбр.
Схема измерительной установки
Соберите схему, как показано на рисунке 5.
К разъемам 5, 6 подключается миллиамперметр для регистрации управляющего тока, 12, 13, 14 подключите осциллограф, 11-управляющий электрод, 9-анод, 10-катод, переключатель S2 замкнут, а S3 разомкнут. При помощи галетного переключателя можно изменять ток, протекающий между управляющим электродом и катодом. Резистор R1 регулируется управляющий ток, R6 регулируется напряжение между катодом и анодом.
Рисунок 5 – Схема для исследования ВАХ тиристора.
Задание: Изучение выходной и пусковой характеристики тиристора и определение основных параметров тиристора.
1. Ознакомьтесь с устройством и принципом работы измерительной установки приведенной на рисунке 5, предназначенной для снятия выходных ВАХ тиристора.
2. Подключите к разъемам 9, 10,11 исследуемый тиристор. К разъемам 5, 6 подключите миллиамперметр для измерения управляющего тока.
3. Включите осциллограф в режим «x-y». Включите лабораторный стен в сеть, установите положение переключателей S1, S2, S4 замкнуты, S2-разомкнуты. Получите на экране осциллографа ВАХ тиристора при заданном преподавателем значение управляющего тока.
4. Зарисуйте осциллограммы ВАХ в пределах масштабной сетки осциллографа, привязав ее к осям координат.
5. Перейдите от значений напряжений, откладываемых по оси ОУ к значениям токов.
6. Обозначьте на полученной ВАХ основные параметры тиристора UВкл, IВкл., Uвыкл..,IВыкл.
7. Изменяя сопротивление резистора R1, получите осциллограммы ВАХ еще для 4 значений Iупр.
8. Изобразите полученные ВАХ на одном графике, сделайте выводы.
Таблица 1. Экспериментально полученные данные для построения пусковой характеристики тиристора.
№ | |||||
Iупр | |||||
UВкл |
9. По данным таблицы 1 постройте график пусковой характеристики Iвых(Uвых)|Iупр=const
Контрольные вопросы
1. Поясните механизм положительной обратной связи в тиристоре.
2. Поясните ВАХ тиристора.
3. Почему тиристор удобно представлять в виде комбинации двух транзисторов?
4. Назовите основные параметры тиристора.
Список литературы
1. Физический практикум / Под ред. В. И. Ивероновой. М.: Наука, 1968.
2. Описание лабораторных работ. 1987. Ч.1: Измерительный практикум.
3. Лабораторные занятия по физике / Под ред. Л. Л. Гольдина. М.: Наука, 1983.