ИССЛЕДОВАНИЕ ТИРИСТОРА

Цель работы: получение экспериментальных вольт-амперных характеристик тиристора и определение его основных электрических параметров.

5.1. Основные теоретические положения

Тиристором называется полупроводниковый прибор с тремя или более электронно-дырочными переходами, предназначенный для переключения тока в электрической цепи. Структура тиристора и схема включения в электрическую цепь представлены на рис. 5.1.

 

 

Рис. 5.1. Тиристор и схема его включения

 

При трех электродах у тиристора он называется триодным или тринистором, а при двух электродах (без управляющего электрода) – диодным или динистором. Если к аноду тиристора подключить положительный полюс источника анодного напряжения U_А, а к катоду – отрицательный, то крайние электронно-дырочные переходы П1 и П3 будут смещены в прямом направлении, а средний переход П2 – в обратном. Такое включение тиристора называется прямым. Типичный вид прямой ветви ВАХ тиристора в динисторном включении (без подключения управляющего электрода, ключ S на рис. 5.1 разомкнут) представлен на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Вольт-амперная характеристика тиристора при I_У=0

 

Поскольку переход П2 смещен в обратном направлении, то участок 0-1 ВАХ тиристора соответствует обратной ветви ВАХ электронно-дырочного перехода. Тиристор при этом обладает высоким сопротивлением, почти не проводит ток, т.е. находится в выключенном состоянии. Увеличение U_А усиливает инжекцию через П1 и П3 носителей заряда в области, примыкающие к П2, где они становятся неосновными. Эти заряды диффундируют к переходу П2 и в результате экстракции преодолевают его, частично накапливаясь в областях p1 (дырки) и n2 (электроны). Накопившиеся заряды дополнительно усиливают инжекцию через П1 и П3, вызывая дальнейшее накопление избыточных зарядов около перехода П2. Такое взаимоусиливающее влияние называется положительной обратной связью.

При некотором анодном напряжении переключения U_ПЕР (точка 1 на рис. 5.2) накопившиеся в областях p1 дырки и n2 электроны дополнительной разностью потенциалов настолько снижают потенциальный барьер перехода П2, что ток через него резко возрастает и тиристор переключается в проводящее состояние с низким сопротивлением (точка 2 на рис. 5.2). Участок 2-3 при увеличении тока I_А и участок 3-4 при уменьшении тока соответствуют прямой ветви ВАХ электронно-дырочного перехода. Максимальный ток на участке 2-3 ограничивается анодным резистором R_А (рис. 5.1). При снижении тока до величины тока удержания I_УД тиристор переключается в закрытое состояние с высоким сопротивлением (точка 5 на рис. 5.2).

Поскольку численные значения токов и напряжений на разных участках ВАХ тиристора могут сильно различаться, их строят в разных масштабах на одном графике. На рис. 5.2 участок 0-1 соответствует верхней шкале напряжений (вольты) и левой шкале токов (миллиамперы или микроамперы), а участок 3-4 соответствует нижней шкале напряжений (милливольты) и правой шкале токов (амперы).

При смене полярности приложенного к тиристору напряжения его переходы П1 и П3 будут смещены в обратном направлении. Такое включение называется обратным. Обратная ветвь ВАХ тиристора повторяет обратную ветвь ВАХ электронно-дырочного перехода и здесь не рассматривается.

При подключении к управляющему электроду (ключ S на рис. 5.1 замкнут) источника электроэнергии ток управляющего электрода I_У дополнительно инжектирует основные носители заряда в область p1, дополнительно смещается в прямом направлении переход П1, а вследствие положительной обратной связи – и переход П3. Чем больше ток управляющего электрода I_У, тем при меньшем анодном напряжении тиристор переключается в открытое состояние. При некотором токе управляющего электрода, который называется током спрямления I_УСПР, прямая ветвь ВАХ тиристора повторяет прямую ветвь ВАХ диода. Семейство ВАХ тиристора при различных токах I_У приведены на рис. 5.3.

 

Рис. 5.3. Семейство ВАХ тиристора при различных токах управления.

5.2. Порядок выполнения работы

1. Собрать схему экспериментальной установки по рис. 5.4.

 

Рис. 5.4 Схема измерения ВАХ и параметров тиристора

 

На схеме источник анодного напряжения «RegU505В» позволяет регулировать его в пределах от 0 до 505 В. Грубое регулирование осуществляется с шагом 5 В нажатием на клавишу «U» (увеличение напряжения) или «Shift+U» (уменьшение напряжения). Точное регулирование осуществляется с шагом 0,1 В нажатием на клавишу «Y» (увеличение напряжения) или «Shift+Y» (уменьшение напряжения). Вольтметр V2 позволяет контролировать напряжение этого источника (записывать его показания не надо). Вольтметр V1 измеряет анодное напряжение, а амперметр A2 – анодный ток тиристора.

Источник тока «RegI20mA» позволяет регулировать ток управляющего электрода от 0 до 20 мА с шагом 0,2 мА нажатием на клавишу «I» (увеличение тока) или «Shift+I» (уменьшение тока).

В тиристорных преобразователях на практике используется импульсное управление, причем процесс отпирания тиристора происходит тем быстрее, чем выше скорость нарастания импульса управляющего тока. В схеме по рис. 5.4 специальный коммутатор «Kommut» позволяет подводить к тиристору управляющий ток в виде прямоугольных импульсов, как это осуществляется в практических тиристорных устройствах. Амперметр А1 показавает амплитуду импульсов тока управления. Переключатель S1 нажатием на клавишу «S» отключает управляющий электрод тиристора от цепи тока управления. Переключатель S2 нажатием на клавишу «Пробел» (Space) разрывает анодную цепь тиристора для снижения анодного тока ниже тока удержания. Если S2 опять включить при отключенном управляющем электроде (S1), то тиристор останется в закрытом состоянии при U_А < U_ПЕР.

2.Измерить напряжения и токи прямой ветви ВАХ при увеличении анодного тока тиристора и отключенном управляющем электроде (I_У = 0). Для этого переключатель S1 перевести в нижнее положение, S2 – в правое положение и, регулируя напряжение источника «RegU505В» от 0 до 500 В, записать показания вольтметра V1 и амперметра А2 в табл. 5.1. Всего произвести 8-10 измерений. Зафиксировать напряжение переключения U_ПЕР, незначительное превышение которого приводит к резкому увеличению анодного тока тиристора.

Таблица 5.1

ВАХ при увеличении анодного тока тиристора (I_У = 0)

 

UА, В
IА, мА

 

3. Измерить напряжения и токи прямой ветви ВАХ при уменьшении анодного тока тиристора и отключенном управляющем электроде (I_У = 0). Для этого тиристор должен быть в проводящем состоянии предыдущего эксперимента. Регулируя напряжение источника «RegU505В» от 500 В до нуля, записать показания вольтметра V1 и амперметра А2 в табл. 5.2. Всего произвести 8-10 измерений. Зафиксировать ток удержания I_УД, ниже которого резко увеличивается анодное напряжение тиристора.

Таблица 5.2

ВАХ при уменьшении анодного тока тиристора (I_У = 0)

 

UА, В
IА, мА

 

4. Определить ток спрямления I_УСПР. Для этого тиристор должен быть исходно в запертом состоянии. Установить ток источника «RegI20mA» равным нулю, а напряжение источника «RegU505В» - 5 В. Ключ S1 перевести в верхнее положение. Увеличивая ток управления, отметить по амперметру А1 то его значение, при котором тиристор переключится в проводящее состояние (анодный ток резко возрастёт).

5. Измерить напряжения и токи для прямых ветвей ВАХ при увеличении анодного тока тиристора и различных значениях тока управления. Значения токов управления выбрать равными I_УСПР; 0,5I_УСПР; 0,25I_УСПР. Для каждой ВАХ семейства провести 8-10 измерений. Перед каждым экспериментом тиристор необходимо перевести в закрытое состояние. Зафиксировать напряжение переключения U_ПЕР для каждого значения тока управления. Результаты занести в табл. 5.3.

 

Таблица 5.3

ВАХ при увеличении анодного тока тиристора и различных токах управления

 

IУ=IУСПР	IУ=0,5IУСПР	IУ=0,25IУСПР
UА, В	IА, мА	UА, В	IА, мА	UА, В	IА, мА

 

6. По значениям табл. 5.1 и табл. 5.2 построить совместно ВАХ при увеличении и уменьшении анодного тока тиристора. По значениям табл. 5.1 и табл. 5.3 построить совместно семейство ВАХ тиристора при увеличении анодного тока и различных токах управления.

7. Записать выводы по работе.

5.3. Контрольные вопросы

1. Как устроен тиристор, какие существуют типы тиристоров?

2. Как происходит процесс включения и выключения динистора?

3. Что такое напряжение переключения тиристора, ток удержания?

4. Как включается тринистор с помощью управляющего электрода?

5. Что такое ток спрямления тиристора?

6. Как устроен и работает симистор?