m12

катод, а пропусканием через управляющий электрод импульса тока, противоположного по направлению току отпирания. При этом используется свойство внутренней положительной обратной связи, действующей в приборе. При пропускании встречного тока в цепи управляющего электрода ток базы транзистора Т2 уменьшается, что приводит к уменьшению всех составляющих токов тиристора, а, следовательно, к снижению анодного тока и запиранию прибора.

Тиристоры выпускаются на диапазон прямых токов от десятков миллиампер до нескольких сотен ампер и напряжения от десятков вольт до нескольких киловольт.

Тиристоры малой и средней мощности применяются в релейной и коммутационной аппаратуре. Мощные тиристоры используются в системах преобразования электрической энергии в цепях переменного и постоянного тока.

Статические параметры тиристора

Статические состояния тиристора описывают статическими параметрами, которые задают по выходной ВАХ тиристора.

Открытое состояние тиристора характеризуют следующие параметры:

1. Максимально допустимый средний ток Iо.с – среднее за период

значение тока, длительно протекающего через тиристор в открытом состоянии.

2. Пороговое напряжение Uпор – значение прямого напряжения, оп-

ределяемое точкой пересечения прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии, с осью напряжения. Обычно аппрокси-

мирующую прямую проводят через две точки ВАХ: 0,5 Iо.с и 1,5 Iо.с. 3. Динамическое сопротивление Rдин – значение сопротивления,

определяемое по наклону прямой, аппроксимирующей ВАХ тиристора в открытом состоянии.

Закрытое состояние описывают следующие основные параметры: 1. Максимально допустимое повторяющееся импульсное напряже-

ние UП , т. е. наибольшее мгновенное значение напряжения, приклады-

ваемого к тиристору в закрытом состоянии, включая все повторяющиеся перенапряжения, но исключая все неповторяющиеся. Импульсы повторяющегося напряжения прикладываются к тиристору с частотой питающей сети. Повторяющиеся перенапряжения обусловлены в основном процессами коммутации в тиристорном преобразователе.

121

2. Максимально допустимое неповторяющееся импульсное напряжение UНП, т. е. наибольшее мгновенное значение любого неповторяю-

щегося перенапряжения, прикладываемого к тиристору в закрытом состоянии. Импульсы неповторяющегося напряжения прикладываются к тиристору с частотой, меньшей частоты питающей сети. Эти импульсы могут следовать хаотично во времени, не подчиняясь какой-либо определенной закономерности, но наименьший интервал времени между соседними импульсами должен быть достаточно велик (около секунды или больше), с тем, чтобы влияние предыдущего импульса на состояние тиристора полностью исчезло к моменту приложения следующего импульса. Неповторяющиеся перенапряжения вызываются внешней по отношению к преобразователю причиной – перенапряжениями в питающей сети, грозовыми перенапряжениями и т. д.

3. Максимально допустимое импульсное рабочее напряжение Uр,

т. е. наибольшее мгновенное значение импульсного напряжения, прикладываемого к тиристору, исключая все повторяющиеся и неповторяющиеся переходные напряжения.

4. Максимально допустимое постоянное напряжение в закрытом состоянии Uз.с , т. е. значение постоянного напряжения, прикладываемо-

го к тиристору.

Аналогичные параметры вводятся для тиристора в закрытом состоянии при обратном его включении. Кроме того, для тиристоров, как

и для диодов, вводят параметр обратного напряжения пробоя, Uпр т. е.

значение обратного напряжения, при котором обратный ток превышает заданное значение. В прямом закрытом состоянии для тиристоров вводят прямое напряжение пробоя Uп.пр, т. е. значение напряжения в за-

крытом состоянии, соответствующее заданному значению тока.

Динамические параметры тиристоров

Тиристор – электронный ключ, который может находиться в двух статических состояниях – открытом и закрытом. Переход из закрытого состояния в открытое однооперационного (незапираемого) происходит под воздействием сигнала управления, из открытого в закрытое – под воздействием коммутации в анодной цепи, т. е. за счет подачи обратного напряжения на прибор. Двухоперационные (запираемые) тиристоры открываются и закрываются сигналом управления.

Переход из одного состояния в другое происходит относительно быстро за время переходных процессов включения и выключения. Учет

122

этих процессов необходим для оценки быстродействия, энергетических потерь и надежности работы тиристора.

Динамику переключения тиристора описывают следующие параметры:

1. Время включения Tвкл – время от момента подачи управляюще-

го импульса до момента нарастания анодного тока через тиристор до 90 % установившегося значения при включении на активную нагрузку.

2. Время задержки Tзл – время от момента подачи управляющего

импульса до момента нарастания анодного тока до 10 % установившегося значения.

3. Время нарастания Tнр – время, соответствующее нарастанию анодного тока с 10 до 90 % его установившегося значения.

4. Время выключения Tвыкл – время от момента, когда анодный

ток через тиристор достиг нулевого значения, до момента, когда тиристор способен выдерживать, не переключаясь, прикладываемое в прямом направлении напряжение.

5. Критическая скорость нарастания прямого тока через тиристор ( dI / dt )кр – максимальное значение скорости нарастания прямого

тока через тиристор, не вызывающее необратимых процессов в полупроводниковой структуре и связанного с ними ухудшения параметров тиристора.

6. Критическая скорость нарастания прямого напряжения ( dU / dt )кр – максимальное значение скорости нарастания прямого

напряжения, при котором не происходит самопроизвольного включения тиристора при заданном напряжении и отсутствии управляющего импульса.

При оценке режимов эксплуатации тиристоров в конкретной схеме следует учитывать следующие особенности динамических параметров этих приборов.

Во-первых, практически все динамические параметры характеризуют несколько физических процессов, протекающих в тиристоре одновременно, и зависят от ряда внутренних параметров, т. е. от времени жизни и подвижности носителей заряда, емкости переходов и т. п.

Во-вторых, как следствие, динамические параметры зависят от режима измерения параметра, так как внутренние параметры являются функцией внешних параметров: характера нагрузки, анодного напряжения, частоты и т. п.

123

ным (2 – 3) I у.спр. Предел измерения вольтметра PU1 должен находить-

ся в положении 3 В.

3.6. Установить Uа.= 0 и снять ВАХ управляющего электрода: I у f (U у ), как для положительных, так и отрицательных напряжений

на управляющем электроде.

3.7. Собрать схему простейшего генератора импульсов на тиристоре (рис. 3.2). Установить напряжение источника E2 максимальным. Ре-

гулируя амплитуду запускающих импульсов, проследить на экране осциллографа изменение формы анодного напряжения при переключении тиристора. Для трех значений тока управления измерить длительность времени включения тиристора. Зарисовать полученные осциллограммы.

Значения импульсов управления определяются с достаточной степенью точности как отношение амплитуды запускающих импульсов к

значению сопротивления в цепи управляющего электрода ( Rу = 1 кОм).

4.СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

4.1.Привести основные справочные данные исследуемого тиристора, схемы измерений и таблицы полученных экспериментальных данных.

4.2.На основе данных п. 3.2 и п. 3.3 построить в одних координатах прямую и обратную ветвь ВАХ анодной цепи тиристора в закрытом состоянии. Для максимально допустимых, прямых и обратных напряжений исследуемого тиристора найти ток утечки и обратный ток и сравнить со справочными данными.

4.3.Используя данные п. 3.4 построить кривуюU а.пер f ( I у ).

Отметить на характеристике ток управления спрямления.

4.4.Построить ВАХ анодной цепи тиристора, в открытом состоянии используя данные п. 3.5. По характеристике найти пороговое напряжение и динамическое сопротивление тиристора.

4.5.На основе результатов эксперимента п. 3.6 построить ВАХ управляющего электрода. На характеристике отметить ток управления спрямления.

4.6.Привести осциллограммы импульсов управления и анодного напряжения тиристора в схеме генератора пилообразного напряжения (сфазированные одна под другой). Зарисовать осциллограммы спада анодного напряжения при различных токах управления. Построить за-

125

висимость времени включения тиристора от величины импульса тока управления.

Рис. 3.1

Рис.3.2

5.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

5.1.Какие типы тиристоров вы знаете, и в чем заключаются их характерные отличия?

5.2.Каковы графические условные обозначения тиристоров различных типов, и при каких условиях возможен их переход из закрытого состояния в открытое и наоборот?

5.3.Какова полупроводниковая структура и ВАХ анодной цепи триодного тиристора?

5.4.Как строится нагрузочная прямая тиристора на его выходной характеристике?

126

5.5.Какие преимущества имеет триодный тиристор по сравнению с динистором с токи зрения их практического применения?

5.6.Какие процессы протекают в тиристорной структуре при его отпирании?

5.7.В чем заключаются отличия двухоперационного тиристора от однооперационного?

5.8.В чем отличие ВАХ анодной цепи симистора от тиристора и в чем причина этих отличий?

5.9.Какие статические параметры тиристоров вы знаете, в чем заключается их физический смысл?

5.10.Какие параметры тиристора называют динамическими и от чего они зависят?

5.11.Какова система обозначения мощных тиристоров и тиристоров средней и малой мощности в соответствии с ГОСТ?

5.12.В чем заключаются основные особенности эксплуатации в ключевом режиме тиристора по сравнению с транзистором?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ ОПТОЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРОВ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение принципа работы, экспериментальное определение статических вольтамперных характеристик и параметров некоторых типов оптоэлектронных приборов.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Принципиальная особенность оптоэлектронных приборов состоит в использовании оптического излучения.

Оптическое излучение – это электромагнитные волны с длиной волны от 10 нм до 1 мм. По физическим свойствам оптический диапазон волн неоднороден. Поэтому принято оптический диапазон делить на поддиапазоны, в которых физические свойства в определенной степени

одинаковы: ультрафиолетовое излучение ( = 0.01–0.38 мкм), видимое

излучение ( = 0.38–0.78 мкм), инфракрасное излучение ( = 0.78 мкм

– 1 мм).

127

Фотоприемники

Фотоприемники – это оптоэлектронные приборы для преобразования энергии оптического излучения в электрическую энергию. Под действием оптического излучения происходит изменение электрофизических параметров фотоприемника, обусловленное образованием дополнительных свободных носителей в полупроводнике. Процесс образования дополнительных носителей заряда (фотононосителей) внутри полупроводника под действием оптического излучения называется внутренним фотоэффектом или фотоэлектрическим эффектом.

В фотоприемниках используются внутренние фотоэффекты, а именно фотогальванический и эффект фотопроводимости.

Фотогальванический эффект возникает в полупроводниках с внутренним потенциальным барьером (с p–n-переходом, с переходом металл

– полупроводник, с гетеропереходом). Внутреннее электрическое поле перехода разделяет возникшие под воздействием оптического излучения фотоносители. Пространственно разделенные фотоносители разных знаков – дырки и электроны – создают фото-ЭДС.

Эффект фотопроводимости в отличие от фотогальванического эффекта состоит только в создании фотоносителей. В результате увеличения концентрации носителей проводимость полупроводника возрастает.

Оба эффекта используются на практике: фотогальванический эффект – в фотодиодах, фототранзисторах, фототиристорах и других фотоприемниках с p–n-переходами, эффект фотопроводимости – в фоторезисторах.

Рассмотрим процесс образования дополнительных дырок и электронов, т. е. фотоносителей при поглощении полупроводником фотонов оптического излучения. Энергия фотонов может быть передана электронам валентной зоны с переводом этих электронов в зону проводимости, т. е. энергия фотонов идет на ионизацию атомов полупроводника. Этот процесс называется эффектом собственной фотопроводимости. Возможно примесное поглощение, при котором энергия фотонов излучения идет на ионизацию или возбуждение примесных атомов. Концентрация примесных атомов мала, и они в основном ионизированы уже при относительно низких температурах. В результате собственная фотопроводимость существенно выше примесной и основная доля фотоносителей – это собственные фотоносители. Чтобы фотон излучения создавал собственные фотоносители, необходимо выполнение следующих энергетических соотношений:

128

где Wф – энергия фотона; Wс, Wv – энергетические уровни дна зоны

проводимости и потолка валентной зоны; – длина волны.

Значит, собственный фотоэффект в полупроводнике возможен только при воздействии на полупроводник излучения с длиной волны,

где Wз – ширина запрещенной зоны; гр – длинноволновая граница спектральной чувствительности материала.

Таким образом, при длине волны излучения > гр собственный

фотоэффект в полупроводнике невозможен; при < гр собственный

фотоэффект может иметь место.

Важнейшим параметром фотоприемника является чувствительность. В общем случае чувствительность фотоприемника отражает изменение электрического состояния на выходе фотоприемника при подаче на его вход единичного оптического сигнала. Если измеряемой величиной является фототок, то имеем токовую чувствительность. Чаще всего определяют чувствительность фотоприемника к потоку излуче-

ния, т. е. S = Iф /Ф, где Iф – значение фототока; Ф – световой поток.

Чувствительность фотоприемника не есть постоянная величина, и за-

висит, в частности, от параметров излучения. Для учета этой зависимости вводят понятия статической и динамической дифференциальной чувствительности фотоприемника, при этом статическая чувствительность определяется отношением постоянных значений измеряемых величин. Дифференциальная чувствительность равна отношению малых приращений измеряемых величин: например, дифференциальная то-

Чувствительность зависит от длины волны падающего излучения. Поэтому различают интегральную и монохроматическую чувствительности фотоприемника. Интегральная чувствительность определяется как отношение прироста фототока к приросту светового потока немонохроматического (белого) излучения, а монохроматическая – к приросту светового потока определенной длины волны.

В тех случаях, когда чувствительность фотоприемника зависит от величины напряжения питания (например, для фоторезисторов), применяют удельную интегральную чувствительность, которая представляет

129

собой интегральную чувствительность, приведенную к одному вольту питающего напряжения:

Кроме полезного сигнала на выходе фотоприемника всегда имеет место хаотический сигнал со случайной амплитудой и спектром – это шум фотоприемника. Шум не позволяет регистрировать сколь угодно малое значение входного излучения, так как оно становится неразличимым на фоне шума. Шумы определяются случайными процессами, и уровень шумов характеризуют вероятностными параметрами: математическим ожиданием (средний уровень шума), среднеквадратичным значением или дисперсией. Распределение мощности шума по спектру часто задается спектральной плотностью шума – шумом в единичной полосе частот.

Основными видами шумов для фотоприемника являются: тепловой, дробовой, токовый, радиационный. Тепловой шум обусловлен хаотическим тепловым движением свободных электронов. Дробовой шум определяется тем, что электрический ток является потоком дискретных частиц и зависит от их числа, которое флуктуируют во времени. Токовый шум обусловлен генерационно-рекомбинационным и контактным шумом. Радиационный шум определяется флуктуациями числа фотонов, попадающих на фоточувствительный слой от внешних излучений (фон, объект регистрации).

Обычно шум фотоприемника количественно характеризуют током шума или напряжением шума. Под током шума понимают среднеквадратичное значение флуктуации тока, протекающего через фотоприемник в указанной полосе частот. Напряжение шума – это среднеквадратичное значение флуктуации напряжения на заданном сопротивлении нагрузки в цепи фотоприемника.

Связь чувствительности фотоприемника с шумами количественно определяют пороговым потоком фотоприемника Фп, равным средне-

квадратичному значению действующего на фотоприемник потока излучения, при котором среднеквадратичное значение фототока равно среднеквадратичному значению тока шума. Таким образом, если на фотоприемник действует некоторый поток излучения, то на выходе фотоприемника появляется одновременно сигнал шума и полезный сигнал. Если поток излучения равен пороговому потоку, то значения тока шума

и фототока сравниваются, т. е. Iш Iф при Ф Фп.

Так как шум зависит от полосы частот, в которой шум измеряется, то значение Фп зависит от частоты. Поэтому чаще всего определяют

130