Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам структуры p-n-p-n, и принадлежат, по сути, к особому классу биполярных транзисторов, 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 тиристора 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 диод.
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 диммеры для регулировки яркости света, 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 сварочных инверторах, 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.
Серийно выпускаемые динисторы по электрическим параметрам не всегда отвечают творческим интересам радиолюбителей-конструкторов. Нет, например, динисторов с напряжением включения 5. 10 и 200. 400 В. Все динисторы имеют значительный разброс значения этого классификационного параметра, который к тому же зависит еще от температуры окружающей среды. Кроме того, они рассчитаны на сравнительно малый коммутируемый ток (менее 0,2 А), а значит, небольшую коммутируемую мощность. Исключено плавное регулирование напряжения включения, что ограничивает область применения динисторов. Все это заставляет радиолюбителей прибегать к созданию аналогов динисторов с желаемыми параметрами.
Поиском такого аналога динистора длительное время занимался и я. Исходным был вариант аналога, составленный из стабилитрона Д814Д и тринистора КУ202Н (рис. 1). Пока напряжение на аналоге меньше напряжения стабилизации стабилитрона, аналог закрыт и ток через него не течет. При достижении напряжения стабилизации стабилитрона он открывается сам, открывает тринистор и аналог в целом. В результате в цепи, в которую аналог включен, появляется ток. Значение этого тока определяется свойствами тринистора и сопротивлением нагрузки. Используя тринисторы серии КУ202 с бук венными индексами Б, В, Н и один и т же стабилитрон Д814Д, произведено 32 измерения тока и напряжения включения аналога дннистора. Анализ показывает, что среднее значение тока включения аналога равно примерно 7 мА, а напряжения включения – 14,5±1 В. Разброс напряжения включения объясняется неодинаковостью сопротивления управляющих р-п переходов используемых тринисторов.
Напряжение включения Uвкл такого аналога можно рассчитать по упрощенной формуле: Uвкл=Uст+Uy.э., где Uст – напряжение стабилизации стабилитрона, Uу.э. – падение напряжения на управляющем переходе тринистора.
При изменении температуры тринистора падение напряжения на его управляющем переходе тоже изменяется, но незначительно. Это приводит к некоторому изменению напряжения включения аналога. Например, для тринистора КУ202Н при изменении температуры его корпуса от 0 до 50 °С напряжение включения изменялось в пределах 0,3. 0,4 % по отношению к значению этого параметра при температуре 25 °С.
Далее был исследован регулируемый аналог динистора с переменным резистором R1 в цепи управляющего электрода тринистора (рис. 2). Семейство вольт-амперных характеристик такого варианта аналога показано на рис. 3, их пусковой участок – на рис. 4, а зависимость напряжения включения от сопротивления резистора – на рис. 5. Как показал анализ, напряжение включения такого аналога прямо пропорционально сопротивлению резистора. Это напряжение можно рассчитать по формуле Uвкл.p=Ucт+Uy.э.+Iвкл.y.э*R1, где Uвкл.p – напряжение включения регулируемого аналога, Iвкл.y.э – ток включения регулируемого аналога динистора по управляющему электроду.
рис. 3
рис. 4
рис. 5
Такой аналог свободен практически от всех недостатков динисторов, кроме температурной нестабильности. Как известно, при повышении температуры тринистора его ток включения уменьшается. В регулируемом аналоге это приводит к уменьшению напряжения включения и тем значительнее, чем больше сопротивление резистора. Поэтому стремиться к большому повышению напряжения включения переменным резистором не следует, чтобы не ухудшать температурную’ стабильность работы аналога.
Как показали эксперименты, эта нестабильность небольшая. Так, для аналога с тринистором КУ202Н при изменении температуры его корпуса в пределах 20±10 °С напряжение включения изменялось: с резистором 1 кОм – на ±1,8 %. при 2 кОм – на ±2,6 %, при 3 кОм – на ±3 %, при 4 кОм – на ±3,8 %. Увеличение сопротивления на 1 кОм приводило к повышению напряжения порога включения регулируемого аналога в среднем на 20 % по сравнению с напряжением включения исходного аналога динистора. Следовательно, средняя точность напряжения включения регулируемого аналога лучше 5%.
Температурная нестабильность аналога с тринистором КУ101Г меньше, что объясняется относительно малым током включения (0,8. 1,5 мА). Например, при таком же изменении температуры и резисторе сопротивлением 10, 20, 30 и 40 кОм температурная нестабильность была соответственно ±0,6%. ±0,7%, ±0,8%. ±1%. Увеличение сопротивления резистора на каждые 10 кОм повышало уровень напряжения включения аналога на 24 % по сравнению с напряжением аналога без резистора. Таким образом, аналог с тринистором КУ101Г обладает высокой точностью напряжения включения – его температурная нестабильность менее 1%, а с тринистором КУ202Н – несколько худшей точностью напряжения включения (в этом случае сопротивление резистора Rt должно быть 4,7 кОм).
При обеспечении теплового контакта между тринистором и стабилитроном температурная нестабильность аналога может быть еще меньшей, поскольку у стабилитронов с напряжением стабилизации больше 8 В температурный коэффициент напряжения стабилизации положителен, а температурный коэффициент напряжения открывания тринисторов отрицателен.
Повысить термостабильность регулируемого аналога динистора с мощным тринистором можно включением переменного резистора в анодную цепь маломощного тринистора (рис. 6). Резистор R1 ограничивает ток управляющего электрода тринистора VS1 и повышает напряжение включения его на 1. 2%. А переменный резистор R2 позволяет регулировать напряжение включения тринистора VS2.
рис. 6
Улучшение температурной стабильности такого варианта аналога объясняется тем, что с увеличением сопротивления резистора R2 уменьшается ток включения аналога по управляющему электроду и увеличивается ток включения его по аноду. А так как с изменением температуры в этом случае ток управляющего электрода уменьшается меньше и что суммарный ток включения аналога увеличивается, то для эквивалентного повышения напряжения включения аналога нужно меньшее сопротивление резистора R2 – это и создает благоприятные условия для повышения температурной стабильности аналога.
Чтобы реализовать термостабильность такого аналога, ток открывания тринистора VS2 должен быть 2. 3 мА –больше тока открывания тринистора VS1, чтобы его температурные изменения не влияли на работу аналога. Эксперимент показал, что напряжение включения термостабильного аналога при изменении температуры его элементов от 20 до 70 °С практически не изменилось.
Недостаток такого варианта аналога динистора – сравнительно узкие пределы регулировки напряжения включения переменным резистором R2. Они тем уже, чем больше ток включения тринистора VS2. Поэтому, чтобы не ухудшать термостабильность аналога, надо использовать в нем тринисгоры с возможно меньшим током включения. Диапазон регулировки напряжения включения аналога можно расширить путем применения стабилитронов с различным напряжением стабилизации.
Регулируемые аналоги динистора найдут применение в автоматике и телемеханике, релаксационных генераторах. электронных регуляторах, пороговых и многих других радиотехнических устройствах.
Источник: РАДИО № 3, 1986 г., с.41-42
Автор: М. МАРЬЯШ
| C этой схемой также часто просматривают: |
Регулируемый стабилизатор тока
Регулируемый электронный предохранитель
Аналог высоковольтного стабилитрона
Аналог высоковольтного стабилитрона
Регулируемый блок питания на LM317T
ФОТОМЕХАНИЧЕСКИЙ ДАТЧИК
Высоколинейный амплитудный модулятор
Преобразование угла потенциометра в цифровой код
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ДВИЖУЩИХСЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРЕДМЕТОВ
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 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 КТ81 5 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.