3.2.2. Порядок и методика выполнения работы

3.2.2.1. По выходным характеристикам для схемы с ОЭ, полученным по результатам выполнения задания п. 3.1.2.1. лабораторной работы № 3.1. (рис. 3.1.4.) и заданным Е_К, R_Н (R₅) и I_Б найти значения I_КН, U_КЭН для чего построить на выходных характеристиках линию нагрузки по постоянному току.

Указания

Величину R_Н (R₅) необходимо измерить с помощью прибора В7-22А, переведённого в режим измерения величины сопротивлений, или любым другим стандартным прибором. Величины Е_К и I_Б задаются преподавателем индивидуально.

3.2.2.2. Собрать схему рис. (3.2.1.) и установить значения Е_К и I_Б заданные в п. 3.2.2.1. Измерить величины I_КН и U_КЭН и сравнить с полученными при выполнении п.п. 3.2.2.1. значениями.

Указания

Допускается не измерять амперметром ток I_К, а определить его расчетным путем по известной величине сопротивления R_Н и показаниям вольтметров V₂ и V₃.

Рис. 3.2.1. Схема исследований усилителя на биполярном транзисторе, включенном по схеме с общим эмиттером.

3.2.2.3. Воспользовавшись выражением 3.2.2 определить коэффициент усиления каскада по напряжению К_U для чего изменить величину тока базы I_Б относительно значения соответствующего заданной рабочей точки I_БН на величину и измерить вызванное этим изменением тока базы напряжение U_КЭ. Напряжение U_БЭ определяется расчетным путем по известным: токам I_БН и I_БН + I_Б, а также величине резистора R_Б(R₆) (аналогично п.3.1.2.1 лабораторной работы № 3.1). Допускается определять напряжение U_БЭ по входным вольтамперным характеристикам исследуемого транзистора (2Т503) приведенным в справочниках по полупроводниковым приборам либо в приложении № к методическим указаниям по выполнению курсовой работы по электронике «Расчет усилителя низкой частоты» С.А. Савченко ЧГАУ 20хх г.

Указания

Для определения коэффициента усиления каскада целесообразно воспользоваться результатами предыдущих измерений (лаб. раб. №3.1) и выбирать значения I_Б из ряда величин приведенных в таблицах 3.1.1. и 3.1.2. лабораторной работы № 3.1.

3.2.2.4. Рассчитать коэффициент усиления каскада по напряжению воспользовавшись выражением 3.2.3. для чего величины (h_21Э) и R_ВХ (h_12Э) взять из п. 3.1.2.1.лабораторной работы № 3.1. Сравнить полученное значение К_U со значением полученным экспериментально.

3.2.3. Содержание отчета

3.2.3.1. Тема и цель работы.

3.2.3.2. Расчет режимов рабочей точки транзистора.

3.2.3.3. Результаты измерений.

3.2.3.4. Расчет коэффициента усиления по напряжению по результатам измерений и по выражению 3.2.3.

3.2.3.5. Выводы по работе.

3.2.4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

3.2.4.1. Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на коэффициент усиления?

3.2.4.2. Какое влияние оказывает сопротивление в цепи коллектора на форму выходного напряжения?

ЛИТЕРАТУРА. [1] – c. 81…89, [3] c. 89…104, [4] – c. 178…192.[5] – c. 50…52.

Лабораторная работа № 4

ТИРИСТОРЫ

4.1. ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНООПЕРАЦИОННЫХ ТИРИСТОРОВ

Цель работы: изучить устройство, основные параметры и характеристики однооперационного тиристора.

1. КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

К силовым полупроводниковым приборам относятся управляемые приборы, используемые в различных силовых устройствах: электроприводе, источниках питания, мощных преобразовательных установках и др. Для снижения потерь эти приборы в основном работают в ключевом режиме. Основные требования, предъявляемые к силовым приборам, сводятся к следующим:

малые потери при коммутации;

большая скорость переключения из одного состояния в другое;

малое потребление по цепи управления;

большой коммутируемый ток и высокое рабочее напряжение.

Силовая электроника непрерывно развивается и силовые приборы непрерывно совершенствуются. Разработаны и выпускаются приборы на токи до 1000 А и рабочее напряжение свыше 6 кВ. Быстродействие силовых приборов таково, что они могут работать на частотах до 1 МГц. Значительно снижена мощность управления силовыми ключами.

Cпециально для целей силовой электроники разработаны и выпускаются мощные приборы – тиристоры и симмисторы.

Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные тиристоры (тринисторы). Для коммутации цепей переменного тока разработаны специальные симметричные тиристоры – симмисторы. Симмисторы в отличие от динисторов и тринисторов способны проводить ток в двух направлениях.

Тиристор представляет собой четырехслойный полупроводниковый прибор, состоящий из четырех последовательно соединенных слоев полупроводника обладающих различным типом проводимости p-n-p-n- типа или n-p-n-p – типа, которые образуют между собой три p-n перехода и обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт). Таким образом, тиристор во включенном состоянии подобен замкнутому ключу, а в выключенном - разомкнутому ключу. Перевод тиристора из закрытого в открытое состояние в электрической цепи осуществляется внешним воздействием на прибор. К числу факторов наиболее широко используемых для отпирания тиристоров, относится воздействие напряжением (током) или светом (фототиристоры).

Тиристоры – это управляемые вентили и, поэтому чаще всего применяются в качестве электронных ключей для бесконтактной коммутации токов в электрических цепях.

Динисторы. Динистором называется двухэлектродный переключающий прибор диодного типа, имеющий три p-n перехода. Крайняя область Р называется анодом, а другая крайняя область N – катодом. Структура динистора приведена на рис. 4.1.1а. Схематическое изображение динистора приведено на рис. 4.1.1б.

В диодных тиристорах (динисторах) переход прибора из закрытого состояния в открытое связан с тем, что напряжение между анодом и катодом достигает некоторой граничной величины, являющейся параметром прибора. Если приложить к динистору напряжение U полярностью, показанной на рис. 4.1.1а, то через него пойдет ток I. В этом случае переходы p₁-n₁ и p₂-n₂ открыты, а переход n₁-p₂ закрыт и всё приложенное напряжение U падает на переходе n₁-p₂ динистора. С ростом приложенного к переходу n₁-p₂ напряжения обратный ток этого перехода резко возрастает из-за лавиннобразного умножения числа свободных носителей заряда.

При достаточно высоком напряжении происходит обратимый пробой перехода n₁-p₂ и динистор становиться полностью открытым и ток I буде ограничиваться только сопротивлением внешней цепи R_Н (см. рис.4.1.1.а). Падение напряжение на открытом приборе меньше 2 В, что примерно равно падению напряжения на обычном диоде. Такому физическому процессу соответствует ВАХ динистора, показанная на рис. 4.1.1в.

Рис. 4.1.1. Полупроводниковый динистор:

четырехслойная структура динистора - а), его условное обозначение -б), вольтамперная характеристика динистора - в).

На ВАХ выделяют шесть характерных участков: 1 – непроводящий участок, соответствующий состоянию n₁-p₂ перехода; 2 – участок обратимого пробоя n₁-p₂ перехода; 3 – участок отрицательного дифференциального сопротивления, соответствующий лавинообразному обратимому пробою; 4 – участок, соответствующий открытому состоянию динистора; 5 – непроводящий участок; 6 – участок лавинного необратимого пробоя.

Для непроводящего участка 1 характерны очень большое сопротивление и весьма малый ток, на участке пробоя 2 сопротивление резко падает до нуля, а затем становиться отрицательным на всём участке 3. На участке 4 динистор имеет очень низкое сопротивление, практически не зависящее от тока, и может пропускать очень большой ток. Прибор в этом режиме показывает напряжение в пределах 1 В, при котором создаётся I_УД, достаточный для удержания его в открытом состоянии.

На непроводящем участке 5 эти приборы имеют очень высокое сопротивление, достигающее в некоторых случаях несколько десятков мегаом.

Наиболее важные параметры динистора – напряжение переключения U_ПЕР n₁-p₂ – перехода и ток удержания I_УД.. Для разных типов динисторов значение U_ПЕР находится в пределах 10…500 В, а значения токов I_УД колеблется от десятков микроампер до десятков миллиампер.

Для удержания динистора в открытом состоянии необходимо, чтобы ток I в приборе был больше тока I_УД. Выключить динистор можно, понизив ток в нём до значения или поменять полярность напряжения приложенного к прибору. Если напряжениеU, питающее схему, переменное, то динистор запирается в отрицательный полупериод, когда ток I достигает нуля, если же оно постоянное, то для запирания применяются так называемые схемы гашения. Существуют разнообразные способы выключения динистора: прерывание тока динистора размыканием цепи; уменьшение напряжения на динисторе до нуля шунтированием прибора; понижение тока прибора до значения I_ВЫКЛ включением добавочного резистора в цепь прибора; подача обратного напряжения. Все эти воздействия могут быть кратковременными, импульсными, и должны продолжаться в течении времени, большего так называемого времени выключения t_ВЫКЛ. Оно обычно составляет единицы или десятки микросекунд. За это время избыточные заряды в слоях n₁ и p₂ исчезают. После указанной выдержки времени на динистор вновь можно подать прямое напряжение (0 < u_АК < U_ПЕР) и он будет выключенным до подачи на него импульса включения.

Тиристор. Тиристор в отличии от динистора, можно перевести в открытое состояние независимо от соотношения питающего напряжения U и напряжения переключения U_ПЕР. Это достигается путём подачи на управляющий электрод УЭ (см. рис. 4.1.2а) открывающего импульса положительной полярности по отношению к катоду К, так как при наличии управляющего напряжения можно увеличить ток I произвольно, не выводя переход n₁ – p₂ в область лавинного пробоя.

Цепь управляющего электрода УЭ тиристора по аналогии с цепью базы транзистора имеет определённое сопротивление. Поэтому при увеличении напряжения открывающего импульса ток управления I_У увеличивается, а напряжение включения U_ВКЛ < U_ПЕР тиристора снижается (рис. 4.1.2.в).

Кроме того, несколько уменьшается ток обратного переключения и увеличивается ток прямого включения.

Рис. 4.1.2. Структура однооперационного (не запираемого) тиристора с катодным управлением а), его условное схематическое обозначение б) и вольтамперные характеристики в).

Вольтамперная характеристика тиристора приведена на рис. 4.1.2.в. Она отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включение регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения. Таким образом тиристор эквивалентен динистору с управляемым напряжением включения.

После включения однооперационного (не запираемого) тиристора управляющий электрод теряет управляющие свойства и, следовательно, с его помощью выключить тиристор нельзя. Способы выключения такого тиристора аналогичны способам выключения динистора, рассмотренные выше. Основные схемы включения тиристора такие же как и у динистора.

Существую так называемы запираемые двухоперационные тиристоры, допускающие по цепи управляющего электрода как отпирание, так и запирание прибора. Условное схематическое обозначение двухоперационного тиристора с катодным управлением приведено на рис. 4.1.3.а. Для его запирания на управляющий электрод подаётся отрицательный импульс управления.

Взависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением (рис.4.1.2б и 4.1.3а) и тиристоры с анодным управлением (рис. 4.1.3б, и 4.1.3в).

Рис. 4.1.3. Условные графические обозначения тиристоров на схемах:

а) – двухоперационный тиристор с катодным управлением; б) – однооперационный тиристор с анодным управлением; в) – двухоперационный тиристор с анодным управлением.

К основным параметрам динисторов и симисторов относятся:

допустимое обратное напряжение U_ОБР;

напряжение в открытом состоянии U_ПР при заданном прямом токе;

мощность рассеиваемая в открытом состоянии Р_ОС;

допустимый прямой ток I_ПР;

времена включения t_ВКЛ и выключения t_ВЫКЛ.

Потери в тиристоре состоят из потерь при протекании прямого тока, потерь при протекании обратного тока, коммутационных потерь и потерь в цепи управления. Потери при протекании прямого и обратного токов рассчитываются также как в диодах. Коммутационные потери и потери в цепи управления зависят от способа включения и выключения тиристора.