ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментальное исследование принципа работы и характеристик тиристоров и управляемых выпрямителей.
ЗАДАНИЕ
2.1. Снять и построить вольтамперную характеристику тиристора.
2.2. Исследовать работу управляемого выпрямителя.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Тиристоры
Тиристораминазывают полупроводниковые приборы с тремя и более p-n- переходами, которые могут переключаться из закрытого состояния в открытое и наоборот.
В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки миллионов омов, и он практически не пропускает ток при напряжениях до десятков вольт. В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно. Переход тиристора из одного состояние в другое происходит за очень короткое время, практически скачком.
Тиристоры выпускают двух видов: диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Динисторы имеют два внешних электрода – анод и катод и постоянное напряжение включения. Тринисторы кроме анода и катода имеют третий электрод, называемый управляющим. Наличие управляющего электрода позволяет, не меняя анодного напряжения, изменять напряжение включения.
Структурные обозначения тринисторов и их условные обозначения с управлением по катоду показаны на рис. 7.1, а, б, а с управлением по аноду – на рис. 7.1, в, г.
При полярности внешнего источника, показанной на рис. 7.1, а переходы ЭП1 и ЭП2 смещены в прямом направлении и поэтому имеют незначительныесопротивления. Переходы ЭП1 и ЭП2 называют эмиттерными. Переход КП включен в обратном направлении и поэтому имеет большое сопротивление. Переход КП называют коллекторным. Типовая вольтамперная характеристика динистора приведена на рис. 7.2.
Рис. 7.1
Рис. 7.2
Из графика видно, что на участке I кривой через динистор протекает небольшой ток. Работа динистора в пределах этого участка соответствует его закрытому состоянию. Переход динистора из закрытого состояния в открытое происходит благодаря лавинному размножению носителей электрических зарядов (дырок и электронов). Сущность лавинного размножения сводится к следующим физическим процессам, происходящих с ростом прямого напряжения. Из эмиттерной области р 1 (см. рис. 7.1) дырки, преодолевая потенциальный барьер эмиттерного перехода ЭП1, инжектируются в базовую область n 1. Дырки, прошедшие базу и коллекторный переход КП, входят в базовую область р 2. Потенциальный барьер эмиттерного перехода ЭП2задерживает некоторую часть дырок в базовой области р 2, тем самым образуя в ней нескомпенсированный положительный заряд, снижающий высоту потенциального барьера перехода ЭП2. Снижение потенциального барьера способствует увеличению инжекции электронов из эмиттерной области n 2 в базовую область р 2. Инжектируемые электроны, проходя коллекторный переход, поступают в базовую область n 1.
В базовой области n 1, как и в базовой области р 2, создается избыточный заряд электронов, что приводит к еще большей инжекции дырок из эмиттерной области р 2. Таким образом, в динисторе при некотором прямом напряжении, называемом напряжением включения динистора U вкл, наблюдается лавинный рост тока с одновременным уменьшением падения напряжения на тиристоре в результате встречных инжекций эмиттеров. Лавинный рост тока до нужного значения ограничивается: падением напряжения на резисторе R, включаемом в анодную цепь тиристора. Лавинному росту тока динистора соответствуют два участка кривой вольтамперной характеристики тиристора — участок IIи участок III (см рис. 7.2).
Участок II с одной стороны ограничен напряжением включения U вкл, а с другой – током выключения I выкл динистора. Данный участок является ниспадающим, поэтому обладает отрицательным дифференциальным сопротивлением. Он является также переходным участком между участками I и III. Участок IIIсоответствует открытому состоянию динистора, ему соответствуют большие токи и малое падение напряжения, называемое остаточным U ост. На участках IIи III все переходы находятся в открытом состоянии, что обусловливает малое внутреннее сопротивление динистора.
Переход КП в открытое состояние обусловлен наличием больших зарядов в базовых областях, созданных лавинным процессом и поддерживаемых в процессе работы динистора его током. При уменьшении тока динистора до I выкл ти- ристор переходит в закрытое состояние.
Таким образом, динистор может находиться в закрытом и открытом состояниях.
Если полярность внешнего источника сменить на противоположную, то переходы ЭП1 и ЭП2окажутся смещенными в обратном направлении, а переход КП –впрямом. При этом вольтамперная характеристика динистора принимает вид обратной ветви кривой вольтамперной характеристики обычного полупроводникового диода.
Динисторы применяются в основном в схемах с ключевым режимом работы. Наличие на кривой вольтамперной характеристики ниспадающего участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением расширяет практическое использование динисторов.
Существенным недостатком динистора является невозможность управлять напряжением включения без изменения внешнего напряжения. Этот недостаток устранен в управляемом тиристоре (тринисторе), в котором один из эмиттеров сделан управляющим. Возможность управлять напряжением переключения в тринисторе осуществляется с помощью подачи напряжения на третий,управляющий, электрод. Управляющий электрод может быть подключен к любой из баз тринистора. Использование той или иной базы приводит лишь к изменению полярности источника управляющего напряжения. Полярность управляющего напряжения должна быть такой, чтобы облегчалось включение тринистора. С ростом управляющего тока уменьшается потенциальный барьер, что приводит к увеличению числа инжектированных зарядов, а следовательно, к росту тока и снижению напряжения переключения.
При некотором управляющем токе Iупр, называемом током сопрямления, вольтамперная характеристика тринистора аналогична прямой ветви кривой вольтамперной характеристики обычного диода.
При отсутствии управляющего тока тринистор превращается в динистор. Управляющий ток переводит тринистор только из закрытого состояния в открытое. Для включения достаточно ввести в цепь эмиттера кратковременный импульс тока, причем значительно меньший, чем ток в нагрузке тиристора. После перехода тиристора в открытое состояние управляющий электрод теряет свои управляющие свойства.
Тиристоры характеризуются следующими параметрами:
1. Напряжение включения Uвкл – прямое напряжение, при котором тиристор переходит из закрытого в открытое состояние. Напряжение включения в зависимости от типа тиристора может колебаться от единиц до нескольких тысяч вольт.
2. Ток включения I вкл –прямой ток, при котором тиристор переходит в открытое состояние.
3. Ток управления I упр –наименьший ток в цепи управляющего электрода, обеспечивающий переход тринистора из закрытого состояния в открытое при данном напряжении на его аноде. Ток управления обусловливается управляющим напряжением U упр между управляющим электродом и эмиттером. Он значительно меньше тока, протекающего через тринистор.
4. Ток выключения I выкл – ток, ниже которого тиристор переходит из открытого в закрытое состояние. В тринисторе I выкл уменьшается с ростом током управления.
5. Остаточное напряжение U ост – напряжение, соответствующее открытому состоянию тиристора, оно не превышает 1…2 В.
6. Время включения t вкл – время, в течение которого ток через тиристор возрастает до 0,9 его установившегося значения, с момента подачи управляющего напряжения. Время включения не превышает 1 мкс.
7. Время выключения t выкл – время, в течение которого тиристор успевает перейти из открытого в закрытое состояние. Оно необходимо для освобождения базовых областей от неравновесных носителей и не превышает 10…20 мкс.
