Изучение работы тиристора (Лабораторная работа № 19)

Лабораторная работа № 19.

ИЗУЧЕНИЕ РАБОТЫ ТИРИСТОРА

          Цель работы: ознакомление с полупроводниковым прибором – тиристором. Прибор относится к классу переключающих устройств. Он обладает способностью открываться при определенных условиях, пропуская электрический ток, и закрывается, преграждая ему путь.

          Приборы и принадлежности: лабораторный макет, источник постоянного напряжения, резисторы, соединительные провода, осциллограф.

Теоретическое введение

1.  Устройство тиристора

Основу тиристора составляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дыркой (p) и электронной (n) проводимостями (рис.19.1).

                                                    Рис.19.1

Эти четыре слоя образуют три p-n-перехода П₁, П₂ и П₃. Крайнюю область p, к которой подключается положительный полюс источника, называют анодом, крайнюю область n, к которой подключен отрицательный полюс источника – катодом.

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

2.  Физические процессы в динисторе

Как видно из рис.19.1, p-n – переходы П₁ и П₃ включаются в прямом направлении, а переход П₂ – в обратном.

          Пусть напряжение, приложенное к тиристору мало. Тогда, очевидно, что ток, протекающий через тиристор, будет определяться переходом П₂: переходы П₁ и П₃ открыты, их сопротивление мало, а сопротивление перехода П₂ – большое. Поэтому начальный участок ОА₁ вольтамперной

характеристики тиристора (рис.19.2) подобен вольтамперной характеристике   p-n – перехода в обратном направлении.

Рис.19.2

Отметим, что ток через переход П₂ создан перемещением через него неосновных носителей в прилегающих областях: электроны являются неосновными носителями в средней p - области, а дырки – в средней n - области.

          По мере увеличения напряжения, прикладываемого к тиристору, растут прямые токи через переходы П₁ и П₂  - в соответствии с характеристикой p-n - перехода в прямом направлении. В результате в среднюю p - область через переход П₁ инжектируется все большее количество электронов, а в среднюю n - область все большее количество дырок через переход П₃. Таким образом, концентрация неосновных носителей в областях, прилегающих к переходу П₂, возрастает. Следствием этого является уменьшение сопротивления перехода П₂. В результате – это очень важный момент – происходит перераспределение падений напряжения между переходами П₁, П₂ и П₃.

          Если при малом напряжении, приложенном к тиристору, почти все оно падало на переходе П₂, то по мере увеличения этого напряжения сопротивление перехода П₂, как уже было сказано, уменьшается, а так как ток через все эти перехода один и тот же по величине, то в соответствии с законом Ома на переходе П₂ падает все меньшая доля напряжения, действующая на тиристоре. Это означает, что напряжение, действующее на переходах П₁ и П₃ возрастает еще больше.

          Теперь обратим внимание на то, что вольтамперная характеристика   p-n - перехода в прямом направлении нелинейна: по мере увеличения внешнего напряжения, прикладываемого к тиристору, токи через переходы П₁ и П₂ растут все сильнее.

          В средние p- и n- области инжектируется все больше и больше неосновных носителей, сопротивление перехода П₂ падает все быстрее, что, в свою очередь, приводит к тому, что на переходах П₁ и П₂ оказывается все больше и больше напряжение (т.А₂ на рис.19.2). А это вызывает дальнейшее возрастание тока через переходы П₁ и П₃. Наконец, при некотором внешнем напряжении на тиристоре U₃=U_вкл. Этот процесс приобретает лавинообразный характер. Ток резко, скачком, возрастает (участок А₃-А₄ на характеристике). Его величина ограничивается сопротивлением нагрузки R_н, включенным последовательно с тиристором. При этом сопротивления перехода П₂ и тиристора в целом уменьшается настолько, что на самом тиристоре падает всего около одного вольта напряжения, а все остальное падает на резисторе R_н. Неосновных носителей в областях, прилегающих к переходу П₂, теперь так много, что этот переход можно считать включенным в прямом направлении. Таким образом, если при напряжении U, приложенном к тиристору, меньшем напряжения включения U_вкл, тиристор был заперт, т.е. практически не пропускал ток, то при U> U_вкл тиристор отпирается (включается) и ток через него ограничивается лишь величиной сопротивления нагрузки R_н.

3.Тринистор

          Если от одной из средних областей сделан вывод, то получается управляемый переключающий прибор, называемый триодным тиристором или т р и н и с т о р о м. Подавая через этот вывод прямое напряжение на переход, работающий в прямом направлении, можно регулировать величину U_вкл. Чем больше ток через такой управляемый переход  i_упр, тем ниже будет U_вкл. 

          Это свойство тринистора наглядно показывают его вольтамперную характеристику, изображенную на рис.19.3 для различных значений управляющего тока i_упр. Чем больше управляющий ток, тем сильнее инжекция неосновных носителей к среднему переходу и тем меньше напряжение на тиристоре требуется для того, чтобы прошло отпирание прибора. Наиболее высокое U_вкл получается при отсутствии управляющего  тока, когда тринистор превращается в динистор. И, наоборот, при значительной величине i_упр характеристика тринистора приближается к характеристике прямого тока обычного диода.

Рис.19.3

Зависимость между i_упр и U_вкл называется пусковой характеристикой тиристора, изображена на рис.19.4.

Рис.19.4

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 мощностей переменного тока.

          Рассмотрим фазовое управление током тиристора. Пусть переменное напряжение U приложено к последовательно соединенным тиристору и резистору нагрузки R_н (рис.19.5), а к управляющему электроду напряжение U_y  подается с фазосдвигающей RC - цепочки.