Лабораторная работа твердотельная электроника. Твердотільна лаба 1 Садковський. Лабораторна робота 1 з курсуТвердотільна електроніка. Ч. 2 Д ослідження параметрів і характеристик одноопераційного тиристора
 Скачать 243.91 Kb.
|
|
Міністерство освіти і науки України Національний університет «Львівська політехніка» Кафедра НПЕ  МІКРО- ТА НАНОЕЛЕКТРОНІКА Лабораторна робота №1 З курсу«Твердотільна електроніка. Ч.2» «Дослідження параметрів і характеристик одноопераційного тиристора» Виконав: студент групи МН-31 Садковський Роман Володимирович Прийняв: Нічкало Степан Ігорович Львів – 2020 р Мета роботи – дослідити параметри і характеристики одноопераційного тиристора. Теоретична частина Тири́стор — напівпровідниковий прилад вентильного типу, який відкривається для пропускання електричного струму при досягненні порогового значення напруги між анодом і катодом або за умови подачі невеликої напруги на керуючий електрод. За кількістю зовнішніх виводів розрізняють: діодні тиристори (диністори, мають два зовнішні виводи), тріодні тиристори (триністори, мають три зовнішні виводи) та тетродні тиристори (мають чотири зовнішні виводи). Прилад, який не містить керуючих електродів, називається діодним тиристором або диністором. Такі прилади керуються напругою, прикладеною між основними електродами. Прилад, що містить один керуючий електрод, називають тріодним тиристором або триністором (іноді просто тиристором, хоча це не зовсім правильно). В залежності від того, до якого прошарку напівпровідника підключений керуючий електрод, триністори бувають з керуванням за анодом і з керуванням за катодом. Останні є більш поширеними.  Рис. 1. Позначення диністора  Рис. 2. Позначення несиметричного незапираємого тріодного тиристора (триністора) з керуванням за анодом  Рис. 3. Позначення несиметричного незапираємого тріодного тиристора (триністора) з керуванням за катодом Будова тиристорів показана на рис. 4. Тиристор складається з чотирьох напівпровідникових (шарів), які з'єднані послідовно і відрізняються типами провідності: p-n-p-n. p‑n‑переходи, — переходи між провідниками, — на рисунку позначені як «J1», «J2» і «J3». Електрод під'єднаний до зовнішнього p-шару називається анодом, до зовнішнього n-шару — катодом. У загальному випадку, p-n-p-n-прилад може мати до двох керуючих електродів (баз), під'єднаних до внутрішніх шарів. Подачею сигналу на керуючий електрод здійснюється управління тиристором (зміна його стану).  Рис. 4. Будова тиристорів: а) основна чотиришарова p-n-p-n-структура; b) діодний тиристор; c) тріодний тиристор Типова ВАХ тиристора, який проводить в одному напрямку (з керуючими електродами або без них), наведена на рис. 5. Опис ВАХ: крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (0; 0) і (Vвo; IL) (нижня гілка), відповідає високому опору приладу (напруга пряма, прилад вимкнений); точка (Vвo; IL) відповідає моменту включення тиристора (переключення динистора у ввімкнений стан); крива ВАХ на ділянці, обмеженій прямокутником з координатами вершин (Vвo; IL) і (V н; Iн), відповідає переключенню приладу у ввімкнений стан (нестійка область). Судячи з того, що крива має S-подібну форму, можна зробити висновок про те, що опір тиристора негативний диференційний. Коли різниця потенціалів між анодом і катодом тиристора прямої полярності перевищить величину Vво, відбудеться вмикання тиристора (діністорний ефект); крива ВАХ від точки з координатами (Vн; Iн) і вище відповідає відкритого стану приладу (прямій провідності); на графіку показані ВАХ з різними струмами управління IG (струмами на керуючому електроді тиристора): IG = 0; IG> 0; IG >> 0. Чим більше струм IG, тим при меншій напрузі Vвo відбувається перемикання тиристора в провідний стан; пунктиром позначена крива ВАХ, відповідна протіканню в ланцюзі струму IG >> 0 — так званого «струму включення випрямлення». При такому струмі тиристор переходить в провідний стан при мінімальній різниці потенціалів між анодом і катодом. Для перекладу тиристора в непроводящее стан необхідно знизити струм в ланцюзі анод-катод нижче струму включення випрямлення; крива ВАХ на ділянці від VBR до 0 відповідає режиму зворотного вмикання приладу; крива ВАХ на ділянці від -∞ до VBR відповідає режиму зворотного пробою. Вольт-амперна характеристика симетричних тиристорів відрізняється від наведеної на рис. 5 тим, що крива в третій чверті графіка повторює ділянки 0-3 симетрично відносно початку координат.  Рис. 5. Вольт-амперна характеристика тиристора За типом нелінійності ВАХ тиристор відносять до S-приладів. Методика експерименту Дослідження характеристик тиристорів здійснюють згідно схеми, наведеної на рисунку 1.  Рис. 1. Схема макета для дослідження характеристик тиристора Для вимірювання напруги тиристора необхідно використовувати універсальний вольтметр (PV1), встановлений в режим вимірювання постійної напруги з межею 300 В. Для вимірювання анодного струму через тиристор необхідно використовувати цифровий мультиметр, переведений в режим вимірювання постійного струму з межею на ділянках закритого стану тиристора 200 мкА, на ділянці відкритого стану тиристора 200 мА. Для вимірювання струму керування (Ікер) тиристора необхідно використовувати цифровий мультиметр, встановлений на межу 20 мА. Завдання та послідовність виконання роботи 1. Ознайомитись з вимірювальним стендом та перевірити правильність під'єднання приладів. 2. Зняти пряму гілку ВАХ тиристора – ділянка закритого стану тиристора. Результати занести в таблицю. 3. Клеми (XS28–XS7) розімкнути, при цьому Ікер=0. 4. Змінити напругу джерела живлення 1 в межах (0–200) В. 5. Дослідити залежність напруги вмикання тиристора від струму керування Uвмик=f(Iкер). Результати занести в таблицю. 6. Встановити межу вимірювання міліамперметра РА1=200 мА. 7. Виставивши фіксоване значення напруги джерела живлення 1 (20, 50, 100, 150) В і плавно збільшуючи струм керування (РА2) за допомогою джерела живлення 2 (0–20) В, відмітити момент ввімкнення тиристора з появою анодного струму (РА1). 8. Вимкнення тиристора здійснити за умови Ікер=0 і короткотривалого зменшення Іа до значення, меншого, ніж струм вимкнення Івимк (розімкненням перемички (XS2–XS8) або зменшенням напруги джерела живлення 1 до 0. 9. Зняти пряму ВАХ тиристора Іа=f(Uа ) – ділянка вікритого стану (діодна гілка). Результати занести в таблицю. Визначити струм вимкнення Івимк тиристора. 10. При напрузі джерела живлення 1 10 В, збільшуючи Ікер, ввімкнути тиристор. Після ввімкнення встановити Ікер=0. Збільшуючи напругу джерела живлення 1 в межах 10–200 В, зняти залежність Іа=f(Uа). Пряму напругу під час відкривання тиристора вимірювати вольтметром, встановленим на межу 1 В. 11. Визначити струм вимкнення при від'єднаному вольтметрі (PV1) шляхом зменшення напруги джерела живлення 1 і контролем за анодним струмом тиристора Іа (РА1), за умови Ікер=0. 12. Зняти зворотну гілку ВАХ тиристора Ізв=f(Uзв ) – ділянка закритого стану тиристора. Результати занести в таблицю. 13. При від'єднаних джерелах живлення здійснити переполюсацію підключення тиристора: а) встановити перемичку (XS2–XS6); б) встановити замість перемички (XS 4–XS7) мультиметр, встановлений на межу вимірювань струму 200 мкА. 14. Вимкнути джерело живлення 2 Ікер=0. 15. Змінити напругу Uзв джерела живлення 1 в межах 0–200 В. 16. За результатами вимірювань побудувати повну ВАХ тиристора та визначити основні параметри: напругу відкривання Uвідкр для Іа=50 мА, напругу відсічки Uвідс, диференційний опір Rд, зворотний струм Ізв при Uзв max, Івимк, Іутр. Висновок: в ході даної даної лабораторної роботи я дослідив тиристори. Ознайомився з їх різновидами, принципом роботи та вольт-амперною характеристикою.Також дослідив параметри і характеристики одноопераційного тиристора. Контрольні запитання Структура і принцип дії тиристорів Назвати типи тиристорів. Назвати та дати визначення основним параметрам тиристорів. Чому для виготовлення тиристора доцільно використовувати напівпровідниковий матеріал з більшою шириною забороненої зони? Пояснити вплив внутрішнього зворотного зв’язку в тиристорі на процес перемикання із закритого стану у відкритий. Яка умова перемикання тиристора? Відповіді 1.Тиристор є силовим електронним не повністю керованим ключем, який може сигналом управління переводитися тільки в провідний стан, тобто включатися. Для його виключення (при роботі на постійному струмі) необхідно приймати спеціальні заходи, що забезпечують спадання прямого струму до нуля. Тиристорний ключ може проводити струм лише у одному напрямі, а в закритому стані здатний витримати як пряму, так і зворотну напругу. Тиристор має чотиришарову p-n-p-n-структуру з трьома виводами: анод (A), катод (C) і керуючий електрод (G), що відображено на рис. 1   Рис. 1 Звичайний тиристор: a) – умовно-графічне позначення; б) – вольт-амперна характеристика На рис. 1, б) представлено сімейство вихідних статичних ВАХ при різних значеннях струму управління ІG. Гранична пряма напруга, що витримується тиристором без його включення, має максимальні значення при ІG = 0. При збільшенні струму ІG пряма напруга, що витримується тиристором, знижується. Ввімкненому стану тиристора відповідає гілка II, вимкненому – гілка I, процесу включення – гілка III. Утримуючий струм або струм утримання дорівнює мінімально допустимому значенню прямого струму ІA, при якому тиристор залишається в провідному стані. Цьому значенню відповідає мінімально можливе значення прямого падіння напруги на включеному тиристорі. Гілка IV являє собою залежність струму витоку від зворотної напруги. При перевищенні зворотною напругою значення UBO починається різке зростання зворотного струму, пов'язане з пробоєм тиристора. Характер пробою може відповідати незворотному процесу або процесу лавинного пробою, властивого роботі напівпровідникового стабілітрона. Тиристори є найбільш потужними електронними ключами, здатних комутувати кола з напругою до 5 кВ і струмами до 5 кА при частоті 1 кГц За кількістю зовнішніх виводів тиристори поділяються на : – діодні тиристори, мають два зовнішні виводи – анод і катод; – тріодні тиристори, мають три зовнішні виводи – анод, катод і керуючий електрод; – тетродні тиристори , які мають чотири зовнішні виводи – анод, катод і два керуючих електроди. Напруга вмикання Uвмик – це напруга на тиристорі, зміщеного в прямому напрямку, за якої тиристор із закритого стану переходить у відкритий за відсутності струму в колі керуючого електрода. Напруга вмикання для різних типів тиристорів змінюється від десятків до тисяч вольтів. Струм вмикання Івмик – це струм тиристора, за якого прилад переходить у ввімкнутий стан за відсутності струму в колі керуючого електрода. Струм утримання Іутр – мінімальний струм через тиристор у відкритому стані. Напруга у відкритому стані Uвідкр – напруга на тиристорі у відкритому стані за заданого струму анода. Значення напруги у відкритому стані не перевищує декількох вольтів. Струм у відкритому стані Івідкр – струм тиристора у відкритому стані за заданої напруги на аноді. Прямий струм тиристора у відкритому стані може змінюватися від сотих часток ампера до тисячі ампер. Струм у закритому стані Ізакр – струм через тиристор за заданої напруги в закритому стані. Струм керуючого електрода Іке – мінімальне значення постійного струму керуючого електрода, яке забезпечує вмикання тиристора за заданої анодної напруги. Час вмикання tвмик – інтервал часу з моменту подачі відкриваючого імпульсу до моменту, коли струм через тиристор збільшиться до 0,9 його значення у відкритому стані. Час вимкнення tвимк – інтервал часу з моменту спаду анодного струму до значення струму тиристора в закритому стані. Діапазон робочих частот Δ f – визначається максимальною робочою частотою, за якої тиристор може ефективно працювати. Для різних тиристорів діапазон максимальних робочих частот становить (1–50) кГц. Через те, що у тиристорі велику роль відіграє лавинне помноження, а воно краще працює у широкозонних напівпровідниках. Перемикання тиристора із закритого стану у відкритий відбувається тільки тоді, коли струм у колі анода досягає значення Івмик, за якого α 1 + α 2 =1 . У деяких випадках напруга вмикання тиристора Uвмик може перевищувати напругу лавинного пробою колекторного переходу і тоді перемикання тиристора буде пов’язане зі зростанням струму за рахунок лавинного розмноження в колекторному переході. Із врахуванням коефіцієнта лавинного розмноження М , умова перемикання тиристора із закритого стану у відкритий матиме вигляд М( α 1 + α 2) =1. Як було показано вище, у діодному тиристорі (диністорі) перемикання із закритого стану у відкритий досягається збільшенням анодної напруги. До того ж для тріодних тиристорів (триністорів), керуючи струмами емітерів можна змінювати коефіцієнти підсилення за струмом складових транзисторів, збільшуючи тим самим загальний струм через тиристор і суму коефіцієнтів: α 1 + α 2. Отже, умова перемикання в тріодних тиристорах за наявності струму в колі керуючого електрода виконуватиметься раніше і перемикання тиристора буде відбуватися за меншого значення напруги на аноді. Тиристор можна перевести у відкритий стан не тільки подачею сигналу в коло керуючого електрода, але також за рахунок дії таких механізмів, як тепловим впливом, генерацією носіїв заряду під дією світла або радіації, подаванням на прилад прямої напруги з великою швидкістю наростання. На значення напруги вмикання тиристора істотно впливає швидкість наростання анодної напруги. Чим більша швидкість наростання анодної напруги, тим менша напруга вмикання тиристора. Це зумовлено впливом бар’єрної ємності колекторного переходу, яка шунтує великий опір зворотнозміщеного переходу. Перемикання тиристора у відкритий стан під дією теплоти або за рахунок великої швидкості наростання напруги (ефект dU/dt) є не бажаним для приладів, які використовуються в ключових схемах, оскільки це може приводити до неконтрольованого вмикання тиристора. |