Стройство тиристора. Тиристорный регулятор. Транзисторный аналог тиристора. Полупроводниковые диоды Транзисторный аналог тиристора

Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А - анод, К - катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.

С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр, то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр между анодом и катодом (U < Uпр), если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.
В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:
- если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0;
- если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд.
- подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).
Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.

Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.
Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов.

В качестве динистора используем КН102А-Б.
Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн, через резисторы R1 и R2 постепенно заряжается конденсатор С (+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи). Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор - С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2.
При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000 герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом, не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н.
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).

У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (большее напряжения пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт, что не всегда возможно и удобно.

Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.

Устройство работает следующим образом.
В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит. Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды. Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается. В этот момент конденсатор С заряжается от источника питания через резистор R1. Напряжение на конденсаторе достигает величины U источника питания.
Отпускаем кнопку Кн. В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод - замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется».
Загорается лампочка по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор - замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго.
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн. При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается». Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0 (конденсатор разряжен).
Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208.

Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог.
Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3.

Транзистор Тр 1 имеет p-n-p проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.
Аналог тиристора имеет два управляющих входа. Первый вход: А – Уэ1 (эмиттер - база транзистора Тр1). Второй вход: К – Уэ2 (эмиттер – база транзистора Тр2).
Аналог имеет: А – анод, К - катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.
Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А - анод и К - катод.
Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд), будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.

Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2. А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4.

Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1), вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5).
Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт. Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора. Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания. Потом можно заменить его на постоянный резистор.
Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.

Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке. Если ток в нагрузке превысит 1 ампер, сработает защита.

Стабилизатор состоит из:
- управляющего элемента – стабилитрона КС510, который определяет напряжение выхода;
- исполнительного элемента –транзисторов КТ817А, КТ808А, исполняющих роль регулятора напряжения;
- в качестве датчика перегрузки используется резистор R4;
- исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503.

На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1. Резистором R1 задается ток стабилизации стабилитрона КС510, величиной 5 – 10 мА. Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт. Резистор R4, величиной 1,0 Ом, включен последовательно в цепь нагрузки. Резистор R5 задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.
Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току. В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт., Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4 почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4. При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1 и общим проводом, равное 1,5 - 2,0 вольта. Это есть напряжение перехода анод - катод открытого тиристора. Одновременно загорается светодиод Д1, сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 - 2,0 вольта.
Что бы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн, сбросив блокировку защиты. На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт, а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3, можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более. Транзисторы Т1 и Т2 можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Условное графическое обозначение динистора на схеме немного напоминает полупроводниковый диод за одним отличием. У него есть перпендикулярная черта, которая символизирует базовую область, и придающая динистору его необыкновенные параметры и характеристики.

Но как это ни странно изображение динистора на ряде схем бывает и другим. Допустим, изображение симметричного динистора может быть таким:

Такой разброс в условно-графических обозначениях связан с тем, что существует огромный класс полупроводников тиристоров. К которым относится динистор, тринистор (triac), симистор. На схемах все они похожи в виде сочетания из двух диодов и дополнительных линий. В зарубежных источниках этот подкласс полупроводника получил название trigger diode (триггерный диод), diac. На принципиальных схемах он может обозначаться латинскими символами VD, VS, V и D.

Основной принцип работы динистора основывается на том, что при прямом включении он не пропустит электрический ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет заданной величины.

Обычный диод также имеет такой параметр как напряжение открытия, но для него оно лишь пара сотен милливольт. При прямом включении обычный диод открывается как только к его выводам приложить небольшой уровень напряжения.

Чтобы наглядно понять в принцип работы необходимо посмотреть на вольт-амперную характеристику, она позволяет наглядно рассмотреть, как работает этот полупроводниковый прибор.

Рассмотрим ВАХ самого часто встречающегося симметричного динистора типа DB3. Его можно монтировать в любую схему без соблюдения цоколевки. Работать он будет точно, а вот напряжение включения (пробоя) может немного отличаться, где-то на три вольта

Как мы можем видеть обои ветви характеристики, абсолютно одинаковы. (говорит о том, что он симметричный) Поэтому и работа DB3 не зависит от полярности напряжения на его выводах.

ВАХ имеет три области, показывающие режим работы полупроводника типа DB-3 при определенных факторах.

Голубой участок показывает начальное закрытое состояние. Ток через него не идет. При этом уровень напряжения, приложенный к выводам, ниже уровня напряжения включения V BO – Breakover voltage .
Желтый участок это момент открытия динистора когда напряжение на его контактах достигает уровня напряжения включения (V BO или U вкл .). При этом полупроводник начинает открываться и через него проходит электрический ток. Затем процесс стабилизируется и он переходит в следующее состояние.
Фиолетовый участок ВАХ показывает открытое состояние. При этом ток, протекающий через прибор ограничен только максимальным током I max , который можно найти в справочнике. Падение напряжения на открытом триггерном диоде невелико и составляет около 1 – 2 вольт.

Таким образом из графика четко видно, что динистор в своей работе похож на диод за одним большим "НО". Если его пробивное напряжение обычного диода составляет значение (150 – 500 мВ), то для открытия триггерного диода требуется подать на его выводы напряжение от пары десятки вольт. Так для прибора DB3 напряжение включения составляет 32 вольта.

Для полного закрытия динистора, необходимо снизить уровень тока до значения ниже тока удержания. В случае несимметричного варианта, при обратном включении он не пропускает ток до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет критического уровня и он сгорит. В радиолюбительских самоделках динистор может использоваться в стробоскопах, переключателях и регуляторах мощности и многих других устройствах.

Основой конструкции является релаксационный генератор на VS1. Входное напряжение выпрямляется диодом VD1 и поступает через сопротивление R1 на подстроечник R2. С его движка часть напряжения следует на емкость С1, тем самым заряжая ее. Если напряжение на входе не выше нормы, напряжения зарядки емкости нехватит для пробоя, и VS1 закрыт. Если уровень сетевого напряжения увеличивается, заряд на конденсаторе тоже возрастает, и пробивает VS1. С1 разряжается через VS1 головной телефон BF1 и светодиод, тем самым сигнализируя об опасном уровне сетевого напряжения. После этого VS1 закрывается и емкость опять начинает накапливать заряд. Во втором варианте схемы подстроечное сопротивление R2 должно быть мощностью не ниже 1 Вт, а резистор R6 - 0,25 Вт. Регулировка этой схемы заключается к установке подстроечными сопротивлениями R2 и R6 нижнего и верхнего предела отклонения уровня сетевого напряжения.

Здесь используется широко распространенный двунаправленный симметричный динистор DB3. Если FU1 цел, то динистор закорочен диодами VD1 и VD2 во время положительного полупериода сетевого напряжения 220В. Светодиод VD4 и сопротивление R1 шунтируют емкость С1. Светодиод горит. Ток через него определяется номиналом сопротивления R2.

Рис. 11.5 Разрез (а), структурная (б) и принципиальная (в) схемы замещения тиристора двумя транзисторами

Для объяснения теории работы тиристора широко используют схему замещения двумя транзисторами VT1 и VT2 (рис.11.5). В этой схеме тиристор мысленно разрезается и раздвигается по переходу j 2 на два транзистора VT1–p 1 –n 1 –p 2 , VT2–n 1 –p 2 –n 2 , соединенных между собой по схеме с ОЭ. При этом для объяснения работы данной схемы можно выделить две цепи: первая цепь – замыкающаяся через Э1-Б1-К2-Э2, вторая цепь – Э1-К1-Б2-Э2.

Рассмотрим основные соотношения между токами транзисторов в схеме замещения.

11.7.1 Принцип работы тиристора по схеме замещения при IG=0

Рассмотрим работу схемы замещения при токе управления IG=0.

Из схемы (рис. 11.5, в) видно:

Ток IК1 в VT1 I K1=IЭ1∙α1+IKO1 (11.1)

Ток IК1 одновременно является IБ2 , т.е. IБ2=IК1 (11.2)
Ток IК2VT2 равен IK2=IЭ2∙α2+IKO2 (11.3)
Ток IК2 одновременно является IБ1 , т.е. IБ1=IK2 (11.4)
где IЭ1, IБ1, IК1 – токи эмиттера, базы и коллектора VT1;

IЭ2, IБ2, IК2 – токи эмиттера, базы и коллектора VT2;

α1, α2 – коэффициенты передачи тока VT1 и VT2;

IKO1, IKO2 – обратный коллекторный ток VT1 и VT2.

Обозначим через ID общий ток утечки p–n перехода j2 , тогда

ID=IKO1+IKO2 . (11.5)
Из схемы замещения можно записать, что ток анода IA и катода IK равны:

IA = IK=IЭ1=IЭ2= IK1+ IK2 ; (11.6)

Подставим значение IK1 и IK2 из (11.1) и (11.3) получим:

IA = IA∙α1+ IA∙α2+ID ; (11.7)

Решим уравнение (11.7) относительно IA найдем

IA=ID /(1–(α1+α2)). (11.8)

Формула (11.8) является основным уравнением для объяснения физических процессов в тиристоре. Используя ее, рассмотрим особенности работы тиристора на участке ОА, когда тиристор закрыт, на АВ – процесс открытия, ВС – включенное состояние.

В транзисторах при малых значениях токов IЭ и IK коэффициенты α1 и α2 малы и (α1+ α2 ) < 1, т.е транзисторы VT1 и VT2 закрыты (тиристор закрыт) – участок ОА ВАХ (рис. 11.3).

С ростом тока IA , а следовательно IЭ1 , IK1 , IЭ2 и IK2

(α1+ α2 ) ≥ 1. (11.9)

Это объясняется тем, что через переход j 2 протекает незначительный ток утечки I D (мА или мкА), поэтому ток I K 1 =I Э1 α 1 будет очень мал. Следовательно, ток I Б2 =I К1 также мал и VT2 практически закрыт, поэтому ток по цепи 1 будет очень мал. Так как VT2 закрыт, то ток по цепи 2 будет мал, следовательно, VT1 будет практически закрыт, т.е. VT1 и VT2 удерживают друг друга в закрытом состоянии.

Напряжение между А и К уменьшается до падения напряжения на открытых переходах j1 , j2 , j3 (участок ВС ВАХ). При дальнейшем увеличении напряжения UF ВАХ тиристора аналогична ВАХ диода – участок CD.

11.7.2 Принцип работы тиристора при IG>0 (по схеме замещения)

Рассмотрим работу тиристора по схеме замещения при включении тока управления IG . В этом режиме под действием напряжения управления UG электроны из области n2 дополнительно инжектируются в область p2 , поэтому ток через j2 возрастает.

Для этого режима можно записать следующее уравнение:

IА=IК=IАa1+IАa2+IGa2+ID . (11.11)

Откуда, решив (11.11) относительно IA

IА=(ID+IGa2)/ (11.12)

Из (11.11) видно, что за счет тока IG нарастание тока IА происходит быстрее и a1+a2 приближается к 1 при меньших напряжениях UF . При токе IG2>IG1 напряжение переключения U(ВО)2 тиристора в открытое состояние происходит при меньшем значении U(ВО)1 .

Если IG=IGT , называемым отпирающим током управления, то ВАХ тиристора будет повторять ВАХ диода (рис. 11.3).

11.8 Конструктивное выполнение штыревого тиристора

Как и силовые диоды, тиристоры выполняются двух модификаций: штыревые и таблеточные. Отличительной особенностью от диодов служит изолированный вывод управляющего электрода (УЭ).

Недостаток конструкции: выпрямительный элемент жестко припаян к конструкции. У таблеточных тиристоров он как бы “плавает” (это хорошо).

Нередко можно слышать, да и читать в популярных радиотехнических журналах слово "тиристор". Речь идет о приборе, относящемся к полупроводниковым. Но такого прибора, к сожалению, не существует, поскольку тиристоры это класс приборов. В него входят динистор (диодный тиристор), тринистор (триодный тиристор) и симистор (симметричный тринистор). С ними мы и познакомимся в ходе занимательных экспериментов. Начнем с динистора .

Каждый полупроводниковый прибор из класса тиристоров представляет собой "пирог" из нескольких слоев, образующих полупроводниковую структуру из чередующихся p-n переходов. У динистора три таких перехода (рис. 1), но выводы сделаны лишь от крайних областей (p и n). Поверхность кристалла-"пирога" с электропроводностью n типа обычно припаяна ко дну корпуса это катод динистора, а вывод от противоположной поверхности кристалла выполнен через стеклянный изолятор это анод.

Внешне динистор (распространена серия КН102 с буквенными индексами АИ и его аналог с обозначением 2Н102) ничем не отличается от выпрямительных диодов серии Д226. Как и в случае с диодом, на анод динистора подают плюс напряжения питания, а на катод минус. И обязательно в цепь динистора включают нагрузку: резистор, лампу, обмотку трансформатора и т. д.

Если плавно увеличивать напряжение, ток через динистор будет вначале расти незначительно (рис. 2). Динистор при этом практически закрыт. Такое состояние продолжится до тех пор, пока напряжение на динисторе не станет равным напряжению включения Uвкл В этот момент в четырех слойной структуре наступает лавинообразный процесс нарастания тока и динистор переходит в открытое состояние. Падение напряжения на нем резко уменьшается (это видно на характеристике), а ток через динистор теперь будет определяться сопротивлением нагрузки, но он не должен превышать максимально допустимого Iоткр.макс.. Для всех динисторов серии КН102 этот ток равен 200 мА.

Напряжение, при котором динистор открывается, называют напряжением включения (Uвкл), а соответствующий этому значению ток - током включения (Iвкл).Для каждого динистора напряжение включения свое, например, для КН102А - 20 В, а для КН102И - 150 В. Ток же включения у всех динисторов серии составляет 5 мА.

В открытом состоянии динистор может находиться до тех пор, пока прямой ток через него будет превышать минимально допустимый ток Iуд, называемый током удержания.

Обратная ветвь характеристики динистора похожа на такую же ветвь обычного диода. Подача на динистор обратного напряжения выше допустимого Uобр.макс. может вывести его из строя. Для всех динисторов и Uобр.макс. составляет 10 В, при этом ток Iобр.макс. не превышает 0,5 мА.

Вот теперь, когда вы познакомились с некоторыми параметрами динистора, можете собрать два генератора и поэкспериментировать с ними.

Генератор световых вспышек (рис. 3) . Он позволяет получить световые вспышки лампы накаливания. Когда вилка Х1 генератора будет вставлена в сетевую розетку, начнет заряжаться конденсатор С1 (только в положительные полупериоды). Ток зарядки ограничивается резистором R1. Как только напряжение на нем достигнет напряжения включения динистора, конденсатор разрядится через него и лампу EL1. Хотя напряжение на конденсаторе намного превышает (в 8 раз!) рабочее напряжение лампы (2,5 В), она не перегорит, поскольку длительность импульса разрядного тока слишком мала.

После разрядки конденсатора динистор закроется и конденсатор начнет заряжаться вновь. Вскоре появится новая вспышка, а за ней следующая и т. д. При указанных на схеме деталях вспышки будут следовать через каждые 0,5 с.

Замените резистор другим, скажем, меньшего сопротивления. Частота вспышек возрастет. А с резистором большего сопротивления она уменьшится. Аналогичный результат получится при уменьшении емкости конденсатора или увеличении ее.

Вернувшись к первоначальной схеме генератора, установите дополнительный конденсатор С2 (он может быть бумажный или оксидный) емкостью в несколько микрофарад на напряжение не менее 400 В. Вспышки исчезнут. Разгадка проста. Когда этого конденсатора не было, на резистор поступали Рис. 3 полупериоды сетевого напряжения, т. е. оно изменялось от нуля до максимального амплитудного значения. Поэтому после разрядки конденсатора С1 ток через динистор в какой-то момент (при переходе синусоиды через нуль) падал до нуля и динистор выключался. С подключением же конденсатора С2 напряжение на левом по схеме выводе резистора уже становится пульсирующим, поскольку конденсатор начинает выполнять роль фильтра однополупериодного выпрямителя и напряжение на нем до нуля не падает. А поэтому после открывания динистора и первой вспышки лампы через него продолжает протекать небольшой ток, превышающий ток удержания. Динистор не выключается, генератор не работает.

Правда, генератор можно заставить работать (и вы можете в этом убедиться), если увеличить сопротивление резистора, но тог-да вспышки будут следовать слишком редко. Для увеличения частоты вспышек попробуйте уменьшить емкость конденсатора С1. Произойдет следующее: запасенной конденсатором энергии будет мало для поддержания достаточной яркости вспышек.

Динистор в этом устройстве может быть, кроме указанного на схеме, КН102Б. Конденсатор С 1 - оксидный любого типа на номиналь-ное напряжение не ниже 50 В, диод - на ток не менее 50 мА и обратное напряжение не ниже 400 В, резистор - мощностью не менее 2 Вт, лампа - на рабочее напряжение 2,5 В и ток 0,26 А.

Генератор звуковой частоты (рис. 4) . Его схема похожа на предыдущую, но лампа накаливания заменена более высокоомной нагрузкой - головными телефонами ТОН-2 (BF1), капсюли которого сняты с оголовья (можно и не снимать) и соединены последовательно. Емкость зарядно-разрядного конденсатора (С2) значительно уменьшена, благодаря чему возросла (до 1000 Гц) частота генерируемого сигнала. Возросло и сопротивление ограничительного резистора (R2) в цепи динистора.

Остальные элементы - это однополупериодный выпрямитель, в котором конденсатор С1 фильтрует выпрямленное напряжение, а резистор R1 способствует снижению обратного напряжения на диоде VD1. Если для питания генератора использовать переменное напряжение 45...60 В, резистор R1 не понадобится.

Конденсатор С1 может быть бумажный, например МБМ, С2 - любого типа на напряжение не ниже 50 В, диод - любой с допустимым обратным напряжением не менее 400В.

Как только вилка Х1 будет вставлена в сетевую розетку, в головных телефонах появится звук определенной тональности. Замените конденсатор С2 другим, меньшей емкости - и тональность звука повысится. Если установить конденсатор большей емкости, в телефонах будет прослушиваться звук более низкого тона. Такие же результаты получатся и при изменении сопротивления резистора R2 - проверьте это. Отметим, что в настоящее время выпускаются микросхемы, имеющие характеристики, близкие к динисторным, и в ряде случаев они могут их заменить (см. "Радио", 1998, № 5, с.59- 61).

И в заключение - несколько слов о технике безопасности. Проводя эксперименты с генераторами, не касайтесь руками выводов деталей при включенной в сеть вилке Х1 , не трогайте головные телефоны, тем более не одевайте их на голову, а при всех перепайках либо подключениях деталей обесточивайте конструкцию и разряжайте (пинцетом либо отрезком монтажного провода) конденсаторы.

Следующий полупроводниковый прибор из класса тиристоров - тринистор. Его основное отличие от динистора - наличие дополнительного вывода, называемого управляющим электродом (УЭ), от одного из переходов (рис. 5) четырехслойной структуры. Что же дает этот вывод?

Предположим, что управляющий электрод никуда не подключен. В этом варианте тринистор сохраняет функции динистора и включается при достижении напряжения на аноде Uвкл (рис. 6).

Но стоит подать на управляющий электрод относительно катода хотя бы небольшое плюсовое напряжение и пропустить таким образом постоянный ток через цепь управляющий электрод - катод, как напряжение включения уменьшится. Чем больше ток, тем меньше напряжение включения.

Наименьшее напряжение включения будет соответствовать определенному максимальному току Iу.э, который называют током спрямления - прямая ветвь спрямляется настолько, что становится похожей на такую же ветвь диода.

После включения (т. е. открывания) тринистора управляющий электрод теряет свои свойства и выключить тринистор удастся либо уменьшением прямого тока ниже тока удержания Iуд, либо кратковременным отключением питающего напряжения (допустимо кратковременное замыкание анода с катодом).

Тринистор может быть открыт как постоянным током, пропускаемым через управляющий электрод, так и импульсным, причем допустимая длительность импульса составляет миллионные доли секунды!

Каждый тринистор (чаще всего вам придется встречаться с тринисторами серий КУ101, КУ201, КУ202) имеет определенные параметры, которые приводятся в справочниках и по которым обычно тринистор подбирают для собираемой конструкции. Во-первых, это допустимое постоянное прямое напряжение (Uпр) в закрытом состоянии, а также постоянное обратное напряжение (Uобр) - оно оговаривается не для всех тринисторов, и в случае отсутствия такой цифры подавать на данный тринистор обратное напряжение нежелательно.

Следующий параметр - постоянный ток в открытом состоянии (Iпр) при определенной допустимой температуре корпуса. Если тринистор будет нагреваться до большей температуры, его придется установить на радиатор - об этом обычно сообщается в описании конструкции.

Не менее важен такой параметр, как ток удержания (Iуд), характеризующий минимальный ток анода, при котором тринистор остается во включенном состоянии после снятия управляющего сигнала. Оговариваются также предельные параметры по цепи управляющего электрода - максимальный открывающий ток (Iу.от) и постоянное открывающее напряжение (Uу.от) при токе, не превышающем Iу.от.

При эксплуатации тринисторов серий КУ201, КУ202 рекомендуется между управляющим электродом и катодом включать шунтирующий резистор сопротивлением 51 Ом, хотя на практике в большинстве случаев наблюдается надежная работа и без резистора. И еще одно важное условие для этих тринисторов - при минусовом напряжении на аноде подача тока управления не допускается.

А теперь проведем некоторые эксперименты, позволяющие лучше понять работу тринистора и особенности управления им. Запаситесь тринистором, скажем, КУ201Л, миниатюрной лампой накаливания на 24 В, источником постоянного напряжения 18...24 В при токе нагрузки 0,15...0,17 А и источником переменного напряжения 12...14 В (например, сетевым трансформатором от старого приемника или магнитофона с двумя вторичными обмотками на 6,3 В при токе до 0,2 А, соединенными последовательно).

Как открыть тринистор (рис. 7) . Движок переменного резистора R2 установите в нижнее по схеме положение, а затем подключите каскад на тринисторе к источнику постоянного тока. Нажав на кнопку SB1, плавно перемещайте движок переменного резистора вверх по схеме до тех пор, пока не зажжется лампа HL1. Это укажет на то, что тринистор открылся. Кнопку можете отпустить, лампа будет продолжать светиться.

Чтобы закрыть тринистор и привести его в исходное состояние, достаточно на короткое время отключить источник питания. Лампа погаснет. Нажав на кнопку вновь, вы откроете тринистор и зажжете лампу. Теперь попробуйте погасить ее другим способом - при отпущенной кнопке замкните на мгновенье, скажем, пинцетом, выводы анода и катода, как это показано на рис. 7 штриховой линией.

Чтобы измерить открывающий ток тринистора, включите в разрыв цепи управляющего электрода (в точке А) миллиамперметр и, плавно перемещая движок переменного резистора из нижнего положения в верхнее (при нажатой кнопке), дождитесь момента зажигания лампы. Стрелка миллиамперметра зафиксирует искомое значение тока.

А может быть, вы пожелаете узнать, каков ток удержания тринистора? Тогда включите миллиамперметр в разрыв цепи в точке Б, а последовательно с ним переменный резистор (номиналом 2,2 или 3,3 кОм), сопротивление которого вначале должно быть выведено. При открытом тринисторе увеличивайте сопротивление дополнительного резистора до тех пор, пока стрелка миллиамперметра не возвратится скачком к нулевой отметке. Показания миллиамперметра перед этим моментом и есть ток удержания.

Тринистор управляется импульсом (рис. 8) . Немного измените тринисторный каскад, исключив из него переменный резистор и введя конденсатор С1 емкостью 0,25 или 0,5 мкФ. Теперь на управляющий электрод постоянное напряжение не подается, хотя тринистор от этого не стал неуправляемым.

Подав на каскад питающее напряжение, нажмите на кнопку. Почти мгновенно зарядится конденсатор С1, а его ток зарядки в виде импульса пройдет через параллельно включенные резистор R2 и управляющий электрод. Но даже такого кратковременного импульса достаточно, чтобы тринистор успел открыться. Лампа зажжется и, как и в предыдущем случае, останется в таком состоянии даже после отпускания кнопки. Конденсатор разрядится через резисторы R1, R2 и будет готов к следующему пропусканию импульса тока.

Теперь возьмите оксидный конденсатор С2 емкостью не менее 100 мкФ и на мгновенье подключите его в соответствующей полярности к выводам анода и катода тринистора. Через конденсатор также пройдет импульс зарядного тока. В результате тринистор окажется зашунтирован (указанные выводы замкнуты) и, естественно, он закроется.

Тринистор в регуляторе мощности (рис. 9). Способности тринистора открываться при разном анодном напряжении в зависимости от тока управляющего электрода широко используются в регуляторах мощности, изменяющих средний ток, протекающий через нагрузку.

Чтобы познакомиться с этой "профессией" тринистора, соберите макет из деталей, показанных на схеме. В двухполупериодном выпрямителе могут работать как отдельные диоды, так и готовый диодный мост, например, серий КЦ402, КЦ405. Как видите, фильтрующего конденсатора на выходе выпрямителя нет - он здесь не нужен. Для визуального контроля протекающих в каскаде процессов подключите параллельно нагрузке (лампа HL1) осциллограф, работающий в автоматическом (либо ждущем) режиме с внутренней синхронизацией.

Установите движок переменного резистора R2 в верхнее по схеме положение (сопротивление выведено) и подайте на диодный мост переменное напряжение. Нажмите на кнопку SB1. Сразу же зажжется лампа, а на экране осциллографа появится изображение полупериодов синусоиды (диаграмма а), характерное для двухполупериодного выпрямления без сглаживающего конденсатора.

Отпустите кнопку - лампа погаснет. Все правильно, ведь тринистор закрывается, как только синусоидальное напряжение переходит через нуль. Если же на выходе выпрямителя будет установлен фильтрующий оксидный конденсатор, он не позволит выпрямленному напряжению уменьшаться до нуля (форма напряжения для этого варианта показана на диаграмме штриховой линией) и лампа не погаснет после отпускания кнопки.

Вновь нажмите на кнопку и плавно перемещайте движок переменного резистора вниз по схеме (вводите сопротивление). Яркость лампы начнет уменьшаться, а форма "полусинусоид" искажаться (диаграмма б). Теперь ток через управляющий электрод уменьшается по сравнению с первоначальным значением, а следовательно, тринистор открывается при большем питающем напряжении, т. е. часть полусинусоиды, тринистор остается закрытым. Поскольку при этом уменьшается средний ток через лампу, ее яркость уменьшается.

При дальнейшем перемещении движка резистора, а значит, уменьшении управляющего тока, тринистор может открываться лишь тогда, когда напряжение питания практически достигает максимума (диаграмма в). Последующее уменьшение тока через управляющий электрод приведет к неоткрыванию тринистора.

Как видите, изменением управляющего тока, а значит, амплитуды напряжения на управляющем электроде, удается регулировать мощность на нагрузке в достаточно широких пределах. В этом суть амплитудного метода управления тринистором.

Если же необходимо получить большие пределы регулирования, используют фазовый метод, при котором изменяют фазу напряжения на управляющем электроде по сравнению с фазой анодного напряжения.

Перейти на такой способ управления несложно - достаточно включить между управляющим электродом и катодом тринистора оксидный конденсатор С1 емкостью 100...200 мкФ. Теперь тринистор будет способен открываться при малых амплитудах анодного напряжения, но уже во второй "половине" каждого полупериода (диаграмма г). В итоге пределы изменения среднего тока через нагрузку, а значит, выделяющейся на ней мощности, значительно расширятся.

Аналог тринистора . Бывает, что приобрести нужный тринистор не удается. Его с успехом может заменить аналог, собранный из двух транзисторов разной структуры. Если на базу транзистора VT2 подать положительное (по отношению к эмиттеру) напряжение, транзистор приоткроется и через него потечет ток базы транзистора VT1. Этот транзистор также приоткроется, что приведет к увеличению тока базы транзистора VT2. Положительная обратная связь между транзисторами приведет к их лавинообразному открыванию.

Транзисторы аналога выбирают в зависимости от максимального тока нагрузки и питающего напряжения. На управляющий переход как аналога, так и тринистора подают напряжение (или импульсный сигнал) только положительной полярности. Если по условиям работы конструируемого устройства возможно появление отрицательного сигнала, следует защищать управляющий электрод, например, включением диода (катодом - к управляющему электроду, анодом - к катоду тринистора).

Последний прибор из семейства тиристоров - симистор (рис. 11), симметричный тиристор . Как и тринистор, он выполнен в аналогичном корпусе с такими же выводами анода, управляющего электрода и катода. Симистор имеет сложную многослойную структуру с электронно-дырочными переходами. От одного из переходов сделан управляющий вывод (УЭ).

Поскольку обе крайние области структуры обладают проводимостью одного типа, то при наличии соответствующего напряжения на электродах симистора импульсы тока могут проходить через него в обоих направлениях.

Распространенные симисторы, с которыми вам придется встречаться в радиолюбительской практике, - серии КУ208.

Читайте и пишите полезные

Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам структуры p-n-p-n, и принадлежат, по сути, к особому классу , четырехслойных, трех (и более) переходных приборов с чередующейся проводимостью.

Устройство тиристора позволяет ему работать подобно диоду, то есть пропускать ток лишь в одном направлении.

И также как у полевого транзистора, у имеется управляющий электрод. При этом как диод, тиристор имеет особенность, - без инжекции неосновных рабочих носителей заряда через управляющий электрод он не перейдет в проводящее состояние, то есть не откроется.

Упрощенная модель тиристора позволяет нам понять, что управляющий электрод здесь аналогичен базе биполярного транзистора, однако имеется ограничение, которое заключается в том, что отпереть то тиристор с помощью этой базы можно, а вот запереть нельзя.

Тиристор, как и мощный полевой транзистор, конечно может коммутировать значительные токи. И в отличие от полевых транзисторов, мощности, коммутируемые тиристорами, могут исчисляться мегаваттами при высоких рабочих напряжениях. Но имеют тиристоры один серьезный недостаток — значительное время выключения.

Для того чтобы запереть тиристор, необходимо прервать или сильно уменьшить его прямой ток на достаточно продолжительное время, за которое неравновесные основные рабочие носители заряда, электронно-дырочные пары, успели бы рекомбинировать или рассосаться. Пока не прерван ток, тиристор будет оставаться в проводящем состоянии, то есть будет продолжать вести себя как .

Схемы коммутации переменного синусоидального тока обеспечивают тиристорам подходящий режим работы — синусоидальное напряжение смещает переход в обратном направлении, и тиристор автоматически запирается. Но для поддержания работы прибора, на управляющий электрод необходимо в каждом полупериоде подавать отпирающий управляющий импульс.

В схемах с питанием на постоянном токе прибегают к дополнительным вспомогательным схемам, функция которых — принудительно снизить анодный ток тиристора, и вернуть его в запертое состояние. А поскольку при запирании рекомбинируют носители заряда, то и скорость переключения тиристора сильно ниже, чем у мощного полевого транзистора.

Если сравнить время полного закрытия тиристора с временем полного закрытия полевого транзистора, то разница достигает тысяч раз: полевому транзистору чтобы закрыться нужно несколько наносекунд (10-100 нс), а тиристору требуется несколько микросекунд (10-100 мкс). Почувствуйте разницу.

Конечно, есть области применения тиристоров, где полевые транзисторы не выдерживают конкуренции с ними. Для тиристоров практически нет ограничений в предельно допустимой коммутируемой мощности — это их преимущество.

Тиристоры управляют мегаваттами мощности на больших электростанциях, в промышленных сварочных аппаратах они коммутируют токи в сотни ампер, а также традиционно управляют мегаваттными индукционными печами на сталелитейных заводах. Здесь полевые транзисторы никак не применимы. В импульсных же преобразователях средней мощности полевые транзисторы выигрывают.

Долгое выключение тиристора, как говорилось выше, объясняется тем, что будучи включенным, он требует для выключения снятия коллекторного напряжения, и подобно биполярному транзистору, у тиристора уходит конечное время на рекомбинацию или удаление неосновных носителей.

Проблемы, которые вызывают тиристоры в связи с этой своей особенностью, связаны прежде всего с невозможностью переключения с высокими скоростями, как это могут делать полевые транзисторы. А еще перед подачей на тиристор коллекторного напряжения, тиристор должен обязательно быть закрытым, иначе неизбежны коммутационные потери мощности, полупроводник чрезмерно при этом нагреется.

Иначе говоря, предельное dU/dt ограничивает быстродействие. График зависимости рассеиваемой мощности от тока и времени включения иллюстрирует эту проблему. Высокая температура внутри кристалла тиристора может не только вызвать ложное срабатывание, но и помешать переключению.

В резонансных инверторах на тиристорах проблема запирания решается сама собой, там выброс напряжения обратной полярности приводит к запиранию тиристора, при условии, что воздействие это достаточно длительное.

Так выявляется главное преимущество полевых транзисторов перед тиристорами. Полевые транзисторы способны работать на частотах в сотни килогерц, и управление сегодня не является проблемой.

Тиристоры же будут надежно работать на частотах до 40 килогерц, ближе к 20 килогерцам. Это значит, что если бы в современных инверторах использовались тиристоры, то аппараты на достаточно высокую мощность, скажем, на 5 киловатт, получались бы весьма громоздкими.

В этом смысле полевые транзисторы способствуют тому, что инверторы получаются более компактными за счет меньшего размера и веса сердечников силовых трансформаторов и дросселей.

Чем выше частота, тем меньшего размера требуются трансформаторы и дроссели для преобразования одной и той же мощности, это знает каждый, кто знаком со схемотехникой современных импульсных преобразователей.

Безусловно, в некоторых применениях тиристоры оказываются очень полезными, например , работающие на сетевой частоте 50 Гц, в любом случае выгоднее изготавливать на тиристорах, они получаются дешевле, чем если бы там применялись полевые транзисторы.

А в , например, выгоднее использовать полевые транзисторы, именно в силу простоты управления переключением и высокой скорости этого переключения. Кстати, при переходе с тиристорной схемы на транзисторную, несмотря на большую стоимость последних, из приборов исключаются лишние дорогостоящие компоненты.

Андрей Повный