Лабораторна робота № 6–8

Вивчення властивостей напівпровідникового тиристору.

Мета роботи: зняти пускову та вольт-амперні характеристики (ВАХ) напівпровідникового тиристору.

Обладнання: кремнієвий тиристор КУ201Ж, випробувальний стенд-схема.

Теоретичні відомості

Рис.1. Система p-n- переходів тиристора.

Тиристор (від грецького “thyra”- двері) – це напівпровідниковий прилад з двома стійкими станами, який має три (або більше) випрямляючих переходи і здатний перемикатися із замкненого стану у відкритий і навпаки. Вперше описаний у 1956 році американським вченим Дж. Моллом. Основою тиристору є структура типу p-n-p-n (рис.1) з чотирьох шарів. Крайні області тиристорної структури називають емітерами (n і р), сусідні до них p-n- переходи (П₁ і П₃) – емітерними, центральний перехід (П₂) – колекторним. Поміж переходами знаходяться базові області (p і n), або просто – бази. Електрод, що забезпечує контакт з n-емітером, називають катодом, з p-емітером – анодом.

Існують три типи тиристорів:

• 
  діодний тиристор – його бази не мають виводів;
  
• 
  тріодний тиристор – має додатковий вивід від р-бази, який зветься керуючим електродом;
  
• 
  тетродний тиристор – обидві бази мають виводи, тобто у приладу є два керуючих електроди.
  

Тиристори отримали широке застосування в радіо- та електротехніці у якості швидкодіючих перемикаючих пристроїв. Вони використовуються при конструюванні генераторів імпульсів різної форми, у схемах випрямлячів, для регулювання потужності змінного струму. Тиристори є напівпровідниковими аналогами лампових тиратронів.

Вольт-амперною характеристикою (ВАХ) тиристора називають залежність анодного струму від анодної напруги при сталому значенні струму управління (). На ВАХ тиристору (рис.2) можна відмітити три основні області: область 1 – на аноді позитивне значення напруги, яке може сягати сотень вольт, але опір тиристору великий (декілька мегом), тому анодний струм порівняно малий (декілька мікроампер), у такому стані тиристор є замкнений; область 2 – тиристор має негативний опір, ця ділянка відповідає нестійкому стану тиристора; область 3 – анодна напруга не перевищує 1 – 2 В, але анодний струм порівняно великий, — тиристор у відкритому стані.

Рис.2. Вольт-амперна характеристика тиристора.

Переходи П1 та П3 при тій поляризації напруги, яка показана на рис.1, зміщені у прямому напрямку (відкриті), а перехід П2 – в оберненому (закритий). При малому значенні напруги на тиристорі, струм, який тече через нього, буде визначатися переходом П2: переходи П1 та П3 є відкритими, тому їхній опір порівняно малий, а опір закритого переходу П2 –, навпаки, великий. Тому початкова ділянка ОА1 вольт-амперної характеристики тиристора (рис.2) є подібною до ВАХ p-n-переходу зміщеному в оберненому напрямку. Струм через перехід П2 утворюється переміщенням через нього неосновних носіїв у прилеглих базових областях: електрони є неосновними носіями у середній р- області, а дірки – у середній n- області.

Рис.3. Вольт-амперні характеристики тиристора при різних струмах управління.

При збільшенні напруги, прикладеної до тиристору, зростають прямі струми через переходи П1 і П3 (точка А2 на рис.2). Внаслідок цього у середню р- область через перехід П1 інжектується (вприскується, поступає) зростаюча кількість електронів, а у середню n- область – зростаюча кількість дірок через перехід П3. Таким чином, концентрація неосновних носіїв у прилеглих до переходу П2 областях зростає. Це призводить до зменшення опору переходу П2 та перерозподілу падінь напруг поміж переходами П1, П2, П3: на переході П2 падіння напруги зменшується, а на переходах П1 і П3 – зростає. При деякому критичному значенні зовнішньої напруги на тиристорі U3 = Uвкл процес зростання струму через переходи П1 і П3 приймає лавиноподібний характер – тиристор відкривається.

IУ Iy1 Iy2 Iy3 0 Uвкл1 Uвкл2 Uвкл3 Рис.4. Пускова характеристика тиристора.

Струм різко, стрибком, зростає (ділянка А3 – А4 на рис.2), його величина обмежується головним чином опором навантаження Rн, яке увімкнено послідовно до тиристору. При цьому опір переходу П2 і тиристора у цілому зменшується настільки, що на тиристорі падає лише близько одного вольта напруги, а основна частина напруги падає на опорі навантаження Rн. Неосновних носіїв у прилеглих до переходу П2 областях тепер велика кількість і тому цей перехід можна вважати зміщеним у прямому напрямку. Таким чином, коли тиристор відкривається, то усі три переходи є зміщеними у прямому напрямку.

Якщо через керуючий електрод (рис.1) подати пряму напругу на перехід П2, то можна регулювати величину Uвкл – напруги, при якій тиристор відкривається. Ця властивість тиристору ілюструється вольт-амперними характеристиками, які подано на рис.3. Чим більше струм управління Іу, тим сильніша інжекція неосновних носіїв до середнього переходу, і тим меншу напругу необхідно подати на тиристор, щоб його відкрити. При достатньо великому значенні струму керуючого електроду, ВАХ тиристору вироджується у характеристику звичайного діода, втрачаючи ділянку негативного опору. Залежність поміж струмом управління Iy та напругою, при якій тиристор відкривається Uвкл, називається пусковою характеристикою тиристора (рис.4).

У даній лабораторній роботі передбачається експериментальне зняття пускової характеристики, а потім побудова на її основі ідеалізованих вольт-амперних характеристик при різних анодних напругах (рис.5). Для цього під час проведення вимірювань фіксуються значення анодної напруги U_A, струму управління I_y, при якому тиристор відкривається, анодної напруги U_Aвідкр та анодного струму I_A після відкриття тиристору.

Оскільки анодний струм тиристора у замкненому стані порівняно зі струмом у відкритому стані надзвичайно малий, то у першому наближенні, для побудови

IA, мА 0 1 2 50 100 150 200 UA, В Рис. 5. Ідеалізована ВАХ тиристора.

ідеалізованої ВАХ, його можна покласти рівним нулю. Таким чином область 1 (див. рис. 2) на ідеалізованій вольт-амперній характеристиці не зображають, а значення анодної напруги U_A=U_вкл відкладаються безпосередньо на осі напруг. Значення анодної напруги та анодного струму негайно після відкриття тиристору дають ще одну точку на ВАХ і дозволяють побудувати область 2 (нестійкий стан тиристора). Слід зауважити, що після відкриття тиристору, значення анодної напруги різко падає до кількох вольт, тому початкову ділянку на осі напруг варто будувати у більш дрібному масштабі. Експериментальні точки для значень струму, що отримуються після відкриття тиристору при різних значеннях анодної напруги дозволяють провести через них пряму лінію, яка відповідає області 3 на рис.2 (відкритий стан).

Опис лабораторної установки

В роботі вивчаються властивості кремнієвого тріодного тиристора КУ201Ж p-n-p-n- типу, який на практиці використовують у якості ключа середньої потужності.

Основними параметрами тиристора КУ201Ж є:

• 
  допустимий прямий анодний струм тиристора у відкритому стані IА max = 2A;
  

анодний струм тиристора у замкненому стані ІА 5 мА;

• 
  допустима постійна напруга на аноді тиристора у замкненому стані UА max = 200 В;
  
• 
  постійна напруга на аноді тиристора у відкритому стані UА 2 В;
  
• 
  постійний струм відкривання керуючого електроду тиристора Іу 100 мА.
  

IA П mA Кл4 Вкл. UA + – RH 1,6k ЛАТР Кл5 Кл6 R1 300 Реле Рег. UA РЭС 22 + + Кл1 А У 6В 220В Випр. R3 400 Д1Д4 Т КУ201Ж ЛН – UA К Uупр Кл7 Кл8 Рег. Uупр R2 V mV 300В 3В Кл10 – + Кл11 220 – Кл9 Кл2 Кл3 Рис. 6. Електрична схема лабораторної установки.

Лабораторна установка виготовлена у вигляді окремого блоку, електричну схему якого подано на рис. 6. Основними елементами схеми є наступні:

• 
  Т – тиристор КУ201Ж (А – анод, К – катод, У – керуючий електрод);
  
• 
  джерело живлення анодної напруги тиристора з можливістю регулювання, яке складається з лабораторного автотрансформатора (ЛАТРа) та діодного мосту Д1 Д4; вихід автотрансформатора підключається до клем Кл1 та Кл2 установки;
  
• 
  джерело струму керуючого електрода з можливістю регулювання, яке з’єднується із зовнішнім джерелом напруги величиною 6 В; зовнішнє джерело напруги підключається до клем Кл3 та Кл4 у відповідній полярності; регулювання величини струму управління здійснюється потенціометром R2;
  
• 
  П – перемикач, який здійснює подачу живлення на анод тиристора;
  
• 
  мА – міліамперметр М266, призначений для вимірювання величини анодного струму тиристора; підключається до клем Кл5 та Кл6 у відповідній полярності;
  
• 
  V – зовнішній вольтметр М45М, призначений для вимірювання напруги на аноді тиристора. Вольтметр має дві шкали: 0 300 В (при вимірюванні анодної напруги тиристора у замкненому стані) і 0 3 В (при вимірюванні анодної напруги тиристора у відкритому стані). Перемикання шкал вимірювання вольтметру відбувається автоматично за допомогою контактів реле РЭС 22, обмотка якого разом з резистором RН складають анодне навантаження тиристора. Вольтметр V підключається до клем Кл7, Кл8 і Кл9 у відповідній полярності згідно електричної схеми лабораторної установки;
  
• 
  mV – мілівольтметр, призначений для вимірювання величини струму керуючого електрода. У якості мілівольтметра використовується зовнішній цифровий тестер, підключений до резистору R3 = 400 Ом через клеми Кл10 і Кл11. Величина струму керуючого електрода тиристора розраховується за формулою:
  

(1)

де U_R3 – падіння напруги на резисторі R3, яке вимірюється мілівольтметром mV.

ЛН – лампа розжарювання, спалах якої свідчить про перехід тиристора із замкненого у відкритий стан.

Порядок виконання роботи

1. 
   Вивчити електричну схему лабораторної установки (рис. 6) та засвоїти призначення органів управління та вимірювальних приладів.
   
2. 
   Підключити вимірювальні прилади та джерела живлення до лабораторної установки згідно електричній схеми у відповідній полярності.
   
3. 
   Зняти пускову характеристику тиристора Iy = f(UA) при різних значеннях анодної напруги UA. Для цього необхідно:
   
   • 
     встановити потенціометр R2 та повзунок ЛАТРа у крайнє ліве положення;
     
   • 
     підключити ЛАТР і джерело живлення струму управління 6 В до мережі 220 В;
     
   • 
     включити джерело живлення Б5-7 і по вбудованому вольтметру встановити вихідну напругу 6 В;
     
   • 
     включити перемикач П для подачі анодної напруги на тиристор;
     
   • 
     за допомогою регулювання ЛАТРа за вольтметром V встановити перше значення анодної напруги UA = 50 В;
     
   • 
     плавно збільшуючи величину струму управління за допомогою потенціометра R2 та контролюючи напругу UR3 за мілівольтметром mV, зафіксувати момент відкривання тиристору (величина струму визначається за формулою (1));
     
4. 
   Ознаками відкривання тиристору є наступні:
   
   • 
     різке (стрибкоподібне) збільшення анодного струму тиристора ІА, яке вимірюється міліамперметром mA;
     
   • 
     різке зменшення анодної напруги UA, яке вимірюється вольтметром V та перемикання масштабів його шкали з діапазону 0 300 В на діапазон 0 3 В;
     
   • 
     спалах лампи ЛН.
     
5. 
   зафіксувати значення величин напруги UR3 на резисторі, напруги UA відкр та анодного струму ІА у момент відкривання тиристора за допомогою відповідних вимірювальних приладів;
   
6. 
   вимірювання провести тричі, отримані значення величин струмів та напруг занести у таблицю 1;
   

Таблиця № 1

UA, В	Номер досліду	UR4, мВ	Iy=UR3/R3, мА	UAвідкр, В	ІА, мА
50	1
	2
	3
	ср
100	1
	2
	3
	ср
150	1
	2
	3
	ср
200	1
	2
	3
	ср

7. 
   Повторити п.3 для трьох інших значень анодної напруги 100, 150, 200 В.
   
8. 
   На підставі отриманих даних побудувати пускову характеристику I_y = f(U_A) тиристора, а також побудувати його ідеалізовану ВАХ I_A = f(U_A) при різних значеннях струму управління І_у.
   

Контрольні питання:

1. 
   Пояснити будову та принцип дії тиристора.
   
2. 
   Який вигляд має вольт-амперна характеристика тиристора?
   
3. 
   Пояснити дію керуючого електроду тиристора.
   
4. 
   Що називають пусковою характеристикою тиристора? Як на її підставі побудувати ідеалізовану ВАХ тиристора?
   
5. 
   Якими є практичні застосування тиристорів?
   

Література:

1. 
   Козлов В.И. Общий физический практикум. М.: Изд-во МГУ, 1987.
   
2. 
   Жеребцов И.П. Основы электроники. М.: Энергия, 1974.
   
3. 
   Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985.
   

© 2004