Схема измерительной установки

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 I_упр одновременно является базовым током I_б2_ n₁-р₂-n₂ транзистора. Этот базовый ток вызывает инжекцию носите­лей заряда через эмиттерный переход ПЗ и коллекторный ток этого транзистора I_k2 = . Ток I_к2 является одновременно базовым током I_Б1 для р₁-n₁-р₂ транзистора. Этот базовый ток обусловливает инжекцию носителей заря­да через эмиттерный переход П1, в результате чего коллекторный ток I_k1 = . Ток I_K1 в сумме с током I_у образуют ток I_Б2, т. е. ток I_к1 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: I_ут – ток утечки - прямой ток через тирис­тор при напряжении, рав­ном половине напряжения U_вкл; U_вкл - напряжение включения, при котором происходит переключение тиристора из закрытого состояния в открытое; I_вкл - ток включения, со­ответствующий напряже­нию U_вкл (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 U_вкл) 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: I_{пр.макс. -} прямым максимальным током или средне допустимым, U_{ост -}остаточным напряжением, соответствующим I_{пр.макс.} Важным параметром тиристора является пусковая характеристика (рисунок 4), это зависимость U_Вкл от I_Вкл при постоянном управляющем токе.

Рисунок 4 – Пусковая характеристика тиристора

Основные параметры тиристора:

1. Максимальное прямое напряжение на диоде, называемое напряжением включения U_Вкл.

2. Ток включения I_Вкл..

3. Минимальное прямое напряжение U_выкл..

4. Ток выключения I_Выкл.

5. Остаточное на­пряжение U_ост.

6. Ток утечки I_ут, со­ответствующий прямо­му предельно-допусти­мому напряжению U_обр

7. Ток утечки в об­ратном направлении I_обр.ут, соответствую­щий отрицательному предельно допустимому напряжению U_oбр.

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 U_Вкл, I_Вкл., U_выкл..,I_Выкл.

7. Изменяя сопротивление резистора R1, получите осциллограммы ВАХ еще для 4 значений I_упр.

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 I_вых(U_вых)|_{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.