4.3. Контрольные вопросы
1) Как происходит отклонение электронного луча в электронно-лучевой трубке?
2) Назовите основные функциональные узлы осциллографа С1-137.
3) Поясните назначение составных элементов тракта вертикального и горизонтального отклонения луча осциллографа.
4) Назовите основные технические характеристики осциллографа.
5) Поясните принципы измерения амплитудных и временных параметров электрических величин (тока, напряжения, частоты, сдвига фаз).
Лабораторная работа 5
ЗАПИРАЕМЫЙ ТИРИСТОР
Цель работы: изучить способы переключения и основные параметры запираемого тиристора.
5.1. Краткие теоретические сведения
Запираемый (выключаемый, двухоперационный) тиристор или тиристор GTO (Gate Turn OFF) – полностью управляемый полупроводниковый прибор с классической четырехслойной структурой. Включают и выключают тиристор подачей положительного и отрицательного импульсов тока на электрод управления. Вольт-амперная характеристика запираемого тиристора аналогична незапираемому. Условное обозначение и структурная схема запираемого тирис-тора приведены на рис. 17.
Как и обычный, запираемый тиристор имеет катод К, анод А и управляющий электрод УЭ (G). Различие в структурах приборов заключается в ином расположении горизонтальных и вертикальных слоев с n- и p-проводимостями.
Наибольшему изменению подверглось устройство катодного слоя n, который разбит на несколько сотен элементарных ячеек, равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Такое исполнение вызвано стремлением обеспечить равномерное снижение тока по всей площади полупроводниковой структуры при выключении прибора.
Базовый слой р несмотря на то, что выполнен он как единое целое, имеет большое число контактов управляющего электрода (примерно равное числу катодных ячеек), также равномерно распределенных по площади и соединенных параллельно. Базовый слой n выполнен аналогично соответствующему слою обычного тиристора.
Анодный слой р имеет шунты (зоны n), соединяющие n-базу с анодным контактом через небольшие распределенные сопротивления. Анодные шунты применяют в тиристорах, не обладающих обратной блокирующей способ-ностью. Они предназначены для уменьшения времени выключения прибора за счет улучшения условий извлечения зарядов из базовой области n.
Рис. 17. Условное обозначение (а) и структурная схема (б)
запираемого тиристора
На схематичном разрезе тиристорной структуры (см. рис. 17, б) нижний вывод анодный. Анод контактирует со слоем р. Далее (снизу вверх) следуют базовые слои n и р (последний имеет вывод управляющего электрода) и слой n, непосредственно контактирующий с катодным выводом. Четыре слоя образуют три р-n-перехода: П1 – между слоями р и n; П2 – между слоями n и р; П3 – меж-ду слоями р и n.
В цикле работы тиристора GTO различают четыре фазы: включение, проводящее состояние, выключение и блокирующее состояние.
Фаза 1 – включение. Переход тиристорной структуры из блокирующего состояния в проводящее (включение) возможен только при приложении прямого напряжения между анодом и катодом. Переходы П1 и П3 смещаются в прямом направлении и не препятствуют прохождению носителей зарядов. Все нап-ряжение прикладывается к переходу П2, который смещается в обратном нап-равлении. Около перехода П2 образуется зона, обедненная носителями зарядов и получившая название области объемного заряда. Чтобы включить тиристор GTO, к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение положительной полярности (вывод «+» – к слою р). В результате по цепи протекает ток управления.
Фаза 2 – проводящее состояние. В проводящем состоянии все области полупроводниковой структуры обеспечивают равномерное движение носителей зарядов (электронов – от катода к аноду, дырок – в обратном направлении). Через переходы П1, П2 протекает анодный ток, через переход П3 – суммарный ток анода и управляющего электрода.
Фаза 3 – выключение. Для выключения тиристора GTO при неизменной полярности напряжения к управляющему электроду и катоду по цепи управления прикладывается напряжение отрицательной полярности. Оно вызывает ток выключения, протекание которого ведет к «рассасыванию» основных носителей заряда (дырок) в базовом слое р. По мере освобождения от них базового перехода П2 тиристор начинает запираться. Этот процесс характеризуется резким уменьшением прямого тока тиристора за короткий промежуток времени до небольшого значения.
После того как вся энергия, запасенная в индуктивности цепи управления, будет израсходована, переход П3 со стороны катода полностью запирается. С этого момента ток через тиристор равен току утечки, который протекает от анода к катоду через цепь управляющего электрода.
Отношение импульсного запираемого тока тиристора (тока анода) к запирающему импульсному обратному току управляющего электрода называется коэффициентом усиления при выключении (коэффициентом выключения Q):
(13)
Обычно G равен 3 – 5.
Фаза 4 – блокирующее состояние. В этом режиме к управляющему электроду и катоду остается приложенным напряжение отрицательной полярности от блока управления. По цепи управления протекает суммарный ток, состоящий из тока утечки тиристора и обратного тока управления, проходящего через переход П3. Последний смещается в обратном направлении. Таким образом, в тиристоре GTO, находящемся в прямом блокирующем состоянии, два перехода –П2 и П3 – смещены в обратном направлении и образованы две области пространственного заряда.
Упрощенные диаграммы изменения токов тиристора при отпирании (момент времени t1) и запирании (момент времени t2) приведены на рис. 18.
а
б
Рис. 18. Диаграммы изменения тока управляющего электрода (а) и
запираемого тока (б) двухоперационного тиристора
Большинство параметров запираемых тиристоров аналогично параметрам однооперационных тиристоров, но есть и специфические: максимальное значение запираемого тока Iз.и max (ITQ max); запирающий импульсный ток управления Iу.з.и (IGQM); запирающее импульсное напряжение управления Uу.з.и (UGQM).
Запираемые тиристоры обеспечивают простое отключение нагрузки. Их применение позволяет упростить схемы импульсных устройств, используемых на железнодорожном транспорте. В настоящее время запираемые тиристоры широко внедряются на электроподвижном составе.
Для самостоятельной теоретической подготовки рекомендуется использовать литературные источники [1, 10, 12].