Методичка по 3-5 лаб. Исследование работы параметрического стабилизатора
Цельработы: изучить основные свойства, характеристики и параметры тиристоров, экспериментально исследовать их вольтамперные характеристики (ВАХ) и возможности применения в электронных схемах.
1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ
Тиристор– четырехслойный полупроводниковый прибор, обладающий двумя устойчивыми состояниями: состоянием низкой проводимости (тиристор закрыт) и состоянием высокой проводимости (тиристор открыт).
Тиристоры делятся на две группы: диодные тиристоры (динисторы) и триодные (тиристоры).
Динистор– это двухэлектродный прибор диодного типа, имеющий три p-n-перехода (рис. 23). Крайняя область p называется анодом, а другая крайняя область n – катодом.
Рис. 23. Структура динистора и его условное обозначениеСхему замещения динистора можно представить в виде двух триодных структур, соединенных между собой (рис. 24).
Рис. 24. Структура динистора и схема его замещенияПри таком соединении коллекторный ток первого транзистора является током базы второго, а коллекторный ток второго транзистора – током базы первого. Благодаря этому соединению внутри прибора есть положительная обратная связь.
Если на анод подано положительное напряжение по отношению к катоду, то переходы и будут смещены в прямом направлении, а переход – в обратном.
Найдем ток через переход , равный сумме токов коллекторов обоих транзисторов и тока утечки этого перехода: . (22)Ток во внешней цепи равен , поэтому: , (23)откуда получим значение внешнего тока: . (24)Пока выполняется условие , ток в динисторе равен . При динистр включается и начинает проводить ток.
Для увеличения коэффициентов передачи тока и можно увеличивать напряжение на динисторе. С ростом напряжения один из транзисторов будет переходить в режим насыщения.
Коллекторный ток этого транзистора, протекая в цепи базы второго транзистора, откроет его, а последний, в свою очередь, увеличит ток базы первого. В результате коллекторные токи транзисторов будут лавинообразно нарастать, пока оба транзистора не перейдут в режим насыщения.
Вольт-амперная характеристика динистора приведена на рис 25.
Рис. 25. Вольт-амперные характеристики динистора и схема его включенияВыключить динистор можно, понизив ток в нем до значения или поменять полярность напряжения на аноде. Различные способы выключения динистора приведены на рис. 26. В схеме (а) прерывается ток в цепи динистора. В схеме (б) напряжение на динисторе делается равным нулю. В схеме (в) ток динистора понижается до включением добавочного резистора . В схеме (г), при замыкании ключа , на анод динистора подается напряжение противоположной полярности при помощи конденсатора .
Рис. 26. Схемы включения динистора: а) сразмыканиемцепи; б) сшунтированиемприбора; в) соснижениемтокаанода; г) сподачейобратногонапряжения
В отличие от динистора, переход в открытое состояние которого осуществляется достижением некоторого значения напряжения между анодом и катодом, в тиристореуправление состоянием прибора производится по цепи третьего управляющего электрода. Управляющий вывод в тиристоре реализуется от одной из баз эквивалентных транзисторов или . Если подать в одну из этих баз ток управления, коэффициент передачи соответствующего транзистора увеличится и произойдет включение тиристора.
В зависимости от расположения управляющего электрода (УЭ) тиристоры делятся на тиристоры с катодным управлением и тиристоры с анодным управлением.
Рис. 27. Структура тиристора и его схемотехническое обозначение: а) скатоднымуправлением; б) саноднымуправлениемТиристор изготавливается по диффузионной технологии. Исходным материалом является кремниевая пластина n-типа. Вначале методом диффузии акцепторной примеси с обеих сторон пластины создают транзисторную структуру p-n-p. Затем, после локальной обработки поверхности р-слоя, вносят донорную примесь в р-слой для получения четвертого n-слоя.
Вольт-амперная характеристика тиристора (рис. 28) отличается от характеристики динистора тем, что напряжение включения регулируется изменением тока в цепи управляющего электрода. При увеличении тока управления снижается напряжение включения.
В исходном состоянии тиристор закрыт, ток управления равен нулю. Напряжение источника питания меньше напряжения переключения тиристора . Рабочая точка тиристора расположена на первом участке ВАХ, через тиристор и нагрузку протекает малый ток. В требуемый момент времени подают импульс управления, задавая необходимый для отпирания тиристора импульс тока, тиристор открывается.
Рис. 28. ВАХ тиристораПосле включения управляющий электрод теряет управляющие свойства. Способы выключения тиристора такие же, как у динистора.
Динисторы и тиристоры выполняют функцию бесконтактного ключа, обладающего односторонней проводимостью тока. Применяются в релейной и коммутационной аппаратуре и системах преобразования энергии.
Двухоперационныйтиристор (рис. 29) отличается от простого тиристора тем, что его запирание осуществляется не изменением полярности напряжения анод–катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току запуска. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора.
Рис. 29. Условное обозначение двухоперационного тиристораСимистор (рис. 30) – симметричный тиристор, позволяющий проводить ток в обоих направлениях.
Рис. 30. Структура симистора, его схемотехническое изображение и ВАХВерхняя часть структуры симистора состоит из слоев . Ее крайние слои электрически объединены и связаны с внешним выводом прибора. В нижней части структуры слой металлизации, имеющий контакт с внешним выводом прибора, электрически связывает слои и . Вывод от центральной части слоя является управляющим электродом прибора. Слои образуют в структуре пять p-n-переходов.
Если тиристор закрыт и к внешнему выводу подано напряжение положительной полярности, то переходы , смещаются в прямом направлении, а переход – в обратном. Все внешнее напряжение будет приложено к переходу .
При подаче на управляющий электрод импульса напряжения положительной полярности относительно вывода переход смещается в прямом направлении и инжектирует электроны из слоя в слой. Инжектированные электроны под действием диффузии проходят слой в направлении перехода . Прямое напряжение на переходе будет ускоряющим для электронов, которые входят в слой. Вошедшие электроны снижают потенциал слоя относительно слоя, прямое напряжение на переходе увеличивается, что приводит к инжекции дырок из в слой. Пройдя под действием диффузии слой, дырки попадают в ускоряющее поле перехода и перебрасываются в слой. Диффузионное движение дырок в слое в направлении внешнего вывода возможно лишь по пути огибания перехода , т. к. поле перехода для дырок будет тормозящим.
В результате протекания дырочного тока через слой в нем создается падение напряжения, которое увеличивает прямое смещение перехода . В свою очередь, увеличиваются инжекция электронов из слоя в слой и последующий их переход в слой во встречном направлении. Появление дополнительного числа электронов в слое вызывает еще больший поток дырок в направлении внешнего вывода.
В приборе действует внутренняя положительная обратная связь, приводящая к лавинообразному процессу нарастания тока через прибор и отпиранию правой половины структуры . Таким образом, в результате подачи импульса управления осуществляется переход тиристора с участка закрытого состояния на участок открытого состояния ВАХ характеристики.
При подведении к тиристору напряжения противоположной полярности поведение прибора определяется структурой левой его части , соответствующей обычному тиристору с внешним напряжением, приложенным в прямом направлении.
Симистор можно заменить двумя встречно параллельно включенными тиристорами с общим электродом управления.
Фототиристорыифотосимисторы (рис. 31) – это тиристоры и симисторы с фотоэлектронным управлением. Увеличение числа носителей заряда, необходимое для их отпирания, производится не за счет тока управления, а за счет освещения прибора. С этой целью в корпусе прибора предусматривается специальное окно.
Рис. 31. Условные обозначения фототиристора и фотосимистораОсновное достоинство таких приборов – гальваническая развязка цепи управления от силовой цепи (рис. 32).
Рис. 32. Структурная схема гальванической развязки цепи управления от силовой линииМалое потребление цепи управления позволяет включать такие приборы к выходу микропроцессоров и микроЭВМ.
1.1. Основные параметры тиристоровК основным параметрам тиристоров относятся параметры предельно допустимых режимов в закрытом состоянии, в обратном непроводящем состоянии, в открытом состоянии и по цепи управления, а также динамические и тепловые параметры:
1) постоянное напряжение в закрытом состоянии – наибольшее прямое напряжение, которое может быть приложено к прибору и при котором он находится в закрытом состоянии;
2) ток в закрытом состоянии – ток, протекающий через тиристор, находящийся в закрытом состоянии при прямом напряжении ;
3) напряжение в открытом состоянии падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии;
4) постоянный ток в открытом состоянии наибольшее значение тока в открытом состоянии;
5) время выключения наименьший интервал времени между моментом, когда основной ток тиристора после внешнего переключения основных цепей понизится до нуля, и моментом, в который определенное основное напряжение проходит через нулевое значение без переключения тиристора;
6) критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии наибольшее значение скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии, которое не вызывает переключение тиристора из закрытого состояния в открытое;
7) ток удержания наименьший прямой ток тиристора, необходимый для поддержания тиристора в открытом состоянии;
8) постоянное отпирающее напряжение управления напряжение между управляющим электродом и катодом, соответствующее отпирающему постоянному току управления;
9) отпирающий постоянный ток управления наименьший постоянный ток управления, необходимый для включения тиристора (из закрытого состояния в открытое).
1.2. Применение тиристоровБлагодаря наличию двух устойчивых состояний и низкой мощности рассеяния в этих состояниях тиристоры обладают уникальными свойствами, позволяющими использовать их для решения широкого диапазона задач (от регулирования мощности в домашних бытовых электроприборах до переключения и преобразования энергии в высоковольтных линиях электропередачи). В настоящее время созданы тиристоры, работающие при токах от нескольких миллиампер до 5 000 А и выше и при напряжениях, превышающих 10 000 В
Наибольшее применение тиристоры нашли в схемах управления выходным напряжением (тиристорное управление), которые используют для управления различными устройствами, и в частности, управления электродвигателями. К примеру, изменение частоты вращения вала электродвигателя постоянного тока осуществляют изменением амплитуды питающего напряжения. Для этой цели до недавнего времени широко использовали реостаты, однако большая мощность рассеивания, большие габариты привели к необходимости использования тиристоров.
Существует два способа управления выходным напряжением:
1) широтно-импульсное управление тиристорами;
2) частотно-импульсное управление тиристорами.
Процесс широтно-импульсного управления представлен на рис. 33.
Рис. 33. Процесс широтно-импульсного управления
При широтно-импульсном способе выходное напряжение регулируют изменением длительности импульсов , открывающих тиристор, при неизменном периоде их следования. Тогда среднее значение выходного напряжения преобразователя будет определяться по формуле
(25)где амплитудное значение постоянного напряжения на нагрузке при .
Следовательно, выходное напряжение регулируют от нуля при до при .
Процесс частотно-импульсного управления представлен на рис. 34.
Рис. 34. Процесс частотно-импульсного управленияПри частотно-импульсном способе регулирование напряжения на нагрузке осуществляют с помощью изменения периода следования импульсов, управляющих открытием тиристора. При этом длительность этих импульсов постоянна . Очевидно, чем больше период , тем меньше . Среднее значение выходного напряжения преобразователя при этом способе управления определяется с использованием выражения (25) при .
Структурная схема конвертора – устройства управления выходным напряжением – приведена на рис. 35.
Рис. 35. Структурная схема конвертора Преобразовательная группа в простейшем случае представляет собой тиристор (или несколько тиристоров), на который подается постоянное напряжение от источника тока. Система управления представляет собой управляемый генератор сигнала (чаще всего прямоугольных импульсов). Сигнал управления подается на управляющий электрод тиристора. Тиристор в соответствии с сигналом управления открывается или запирается. В результате ток от источника проходит или не проходит через тиристор. На выходе тиристора появляется импульсное выходное напряжения. Далее, при необходимости, подключается выпрямитель и нагрузка. В результате, небольшой управляющий ток позволяет коммутировать через тиристор и нагрузку относительно большой ток, среднее напряжение которого зависит от частоты и длительности импульсов управляющего сигнала.