Тиристоры – Цифровая техника

June 17, 2015 by admin Комментировать »

Тиристор — прибор с тремя р-п-переходами. От всех остальных классов полупроводниковых приборов тиристоры отличаются тем, что способны работать только в импульсном режиме. Коэффициент усиления и по напряжению, и по току у тиристоров гораздо больше единицы.

Отличительная черта всех тиристоров — триггерное срабатывание (из-за очень сильной внутренней положительной обратной связи), поэтому для включения тиристора нужен импульс напряжения и тока. Включившийся тиристор по цепи управления (управляющему электроду — УЭ) выключить невозможно — тиристор отключается только при снижении протекающего через него тока ниже некоторого минимального значения (ток удержания в открытом состоянии — 1уд) при условии, что на управляющий электрод не подан потенциал, удерживающий тиристор в открытом состоянии.

Внутренняя схема тиристора из-за наличия у последнего целых трех р-п-переходов довольно сложна для понимания, поэтому я не буду здесь «грузить» читателей «всякими глупостями». Тем более что настоящего радиолюбителя ответ на вопрос «Как работает?» интересует в сотни раз сильнее, чем на вопрос «Почему работает?»,

У тиристоров, так же как и у транзисторов, три вывода: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ). Аноду соответствует коллектор или сток у транзисторов, катоду — эмиттер или исток, управляющему электроду — база или затвор. Разные названия одним и тем же электродам даны для того, чтобы по названию электрода можно было понять, о чем идет речь. Так, если вы услышите слово «сток», сразу ясно, что речь идет о полевых транзисторах, а если «анод» — то говорится или о диодах, или о тиристорах, или об электронных лампах (к сожалению, эти приборы появились почти одновременно и назвать их электроды по-разному попросту не догадались, а потом переименовывать было уже поздно). Поэтому названия всех электродов нужно знать. Если вы их нечаянно спутаете, то результат будет таким же, как если бы жених во время свадьбы спутал невесту с одетым в фату дедушкой.

Некоторые довольно «солидные» авторы, стремясь блеснуть умом, называют управляющий электрод тиристоров базой. К сожалению, при этом они блестят не умом, а антонимом слова «ум».

Известны две схемы включения тиристоров: с общим анодом и с общим катодом. Какой-либо принципиальной разницы между этими двумя схемами нет — тиристор нужно только включить (в случае с бензином — зажечь его), и дальше он будет «гореть» сам, и «спичка» больше не Нужна. Поэтому чаще всего используют более удобную в управлении схему с общим анодом (рис. 1.28, а) Тиристор включается нажатием На кнопку SB, и после включения кнопку можно разомкнуть — ток через Нагрузку будет продолжать течь. Для выключения тиристора нужно уменьшить протекающий через него ток так, чтобы он стал меньше 1уд. Сделать это можно двумя способами — отключить нагрузку или, что используется гораздо чаще, уменьшить напряжение питания до нуля. Как вы уже знаете, на выходе диодного мостового выпрямителя присутствует постоянное пульсирующее от нуля до максимального (амплитудного) зна-

Рис. 1.28. Схемы включения тиристоров: а — с общим анодом; б, д — с общим катодом; в — с эмиттерным повторителем в цепи управления; г — с каскадом с общим эмиттером в цепи управления; д — с разделительным трансформатором в цепи управления: е.з — схемы включения тиристоров, открывающихся при увеличении напряжения питания; е — с токоограничивающим резистором в цепи управляющего электрода (резистор сильно греется); з — схема включения динистора; и — схема включения симистора с общим анодом; к — управление симистором через разделительный трансформатор; л — исключение: управление симистором типа ТС106-10 путем подачи на его управляющий электрод отрицательного относительно катода тока; м — коммутирование тринистором через диодный мост переменного напряжения; н — схема, поясняющая почему это возможно

чения напряжение. Поэтому если к его выходу не подключать фильтрующий конденсатор, а подключить только анод тиристора, то напряжение на нем будет каждые полпериода уменьшаться до нуля. Поэтому после отпускания кнопки SB (или размыкания переходов транзистора, заменяющего кнопку) тиристор отключится. Если нужно, чтобы напряжение на нагрузке (RH) не пульсировало, по параллельно RH нужно подключить фильтрующий конденсатор.

Единственный недостаток такой схемы — при выключенном тиристоре напряжение на контактах кнопки равно напряжению питания — падение напряжения на переходе катод — управляющий электрод не превышает 100 мВ, а сопротивление этого перехода 30…80 Ом. При низковольтном питании нагрузки это можно не учитывать, но при напряжении питания, равном сетевому (220 В) и выше, из-за этого возникают очень серьезные проблемы. В таких случаях тиристоры включают по схеме с общим катодом; такая схема, та же как схема с ОЭ на биполярных транзисторах, управляется небольшим напряжением (1,5 В), но употребляет по управляющей цепи значительный ток.

Схема включения тиристора с общим катодом нарисована на рис. 1.28, б. При замыкании кнопки SB через управляющий электрод в катод начинает течь ток. зависящий от сопротивления этого перехода (около 100 Ом у тиристоров на ток до 10 А), сопротивления резистора R1 (470 Ом) и напряжения управляющего сигнала (5 В). Если этот ток превышает минимальный отпирающий ток 1у от, то тиристор сработает. В противном случае нужно или уменьшить сопротивление резистора R1, или увеличить напряжение управления.

Тиристором можно управлять с помощью промежуточных усилителей на транзисторах. Здесь будут рассмотрены промежуточные каскады только на основе биполярных транзисторов, как наиболее часто используемых. Но с помощью полевого транзистора также можно управлять тиристором, нужно будет только немножко изменить схему включения транзистора, чтобы она соответствовала схеме включения для полевого.

На рис. 1.28, в тиристор включается с помощью эмиттерного повторителя, ток через управляющий электрод ограничивается резистором R1. При нулевом напряжении на базе транзистора тиристор закрыт; при напряжении на базе, равном 5 В, он открывается. Сопротивление резистора R1 в этой и всех остальных схемах должно быть максимально возможным (так как при этом уменьшается протекающий через него ток), но таким, при котором тиристор надежно сработает.

Тиристор в схеме, изображенной на рис. 1.28, г, управляется транзисторным каскадом, включенным по схеме с ОЭ. При нулевом управляющем напряжении на базе VT1 транзистор закрыт, а тиристор открывается током, текущим че рез резистор R1 При увеличении управляющего напряжения (тока через пере ход база эмитттер) транзистор VT1 приоткрывается и начинает шунтировать резистор R1 Напряжение на управляющем электроде тиристора снижается, и, как только оно станет меньше 0,6…0,7 В, тиристор уже не сможет открыться.

Сопротивление резистора R1 нужно подобрать при отключенном транзисто ре VT1 так же, как и в схеме на рис. 1.28, в. Сопротивление резистора R2 тоже должно быть максимально возможным (но не более 10 кОм — в таком случае ток, протекающий через него, можно не учитывать), но таким, при котором ти ристор надежно закрывается при напряжении на базе транзистора VT1, равном напряжению питания.

В схеме на рис. 1.28, г нельзя использовать каскад с ОК на транзисторе структуры р-п-р. Падение напряжения на коллекторном переходе включенного по такой схеме транзистора превышает 0,6 В, и тиристор закрыться не может Эмиттерный повторитель в схеме на рис. 1.28, в можно заменить каскадом с ОЭ на транзисторе структуры р-п-р, но такая замена вызовет увеличение управляю щего транзистором тока.

Часто бывает необходима гальваническая развязка низковольтного устрой ства управления и высоковольтного источника питания нагрузки Нужно это для того, чтобы случайно не убило током слишком любопытного человека, су нувшего пальцы в схему управления тиристором. Для этого используют два вида приборов: оптроны (передача информации с помощью светового луча) и разделительные трансформаторы (передача информации с помощью электромаг нитных колебаний). Чаще всего используется последний способ — трансформатор, в отличие от оптрона, можно изготовить самостоятельно, правда, места на плате он занимает больше, а управлять им гораздо сложнее, чем оптроном.

Схема включения трансформатора приведена на рис. 1.28, д. В исходном состоянии на обмотке 2 (вторичная обмотка — к вторичным обмоткам трансформатора подключает нагрузку, а к первичным (их номер может быть больше, чем «U) подключает источник сигнала) напряжение равно нулю, управляющий электрод тиристора замкнут на катод, тиристор закрыт, и напряжение на нагрузке (относительно шины «+U») равно нулю. Когда нужно включить тиристор, на первичную обмотку трансформатора Т1 (обмотка 1) подают высокочастотные колебания (их частота должна быть в десятки раз больше, чем частота пульсаций выпрямленного напряжения на тиристоре, — иначе может возникнуть ситуация, когда тиристор начнет открываться не с началом возрастания напряжения на нем, а через некоторое время из-за этого напряжение на нагрузке может быть в несколько раз меньше, чем при замкнутом накоротко тиристоре. Кстати, этот эффект широко используется в тиристорных регуляторах напряжения. Их преимущество — высокий коэффициент полезного действия (КПД) — до 98%, недостаток — очень мощные пульсации напряжения (помехи в нагрузке). Колебания получают с помощью отдельного генератора, его частота должна быть около 1 кГц, а ток — более 100 мА. Колебания в первичной обмотке трансформируются во вторичную обмотку, и на ее выводах появляется некоторое переменное напряжение, частота которого равна частоте генератора, напряжение сигнала определяется из соотношения:

а ток — из соотношения:

где Ν, и Ν2 — соответственно число витков первичной и вторичной обмоток;

— соответственно напряжения и токи на концах первичной и вторичной обмоток.

Из этих формул можно сделать вывод, что при увеличении числа витков вторичной обмотки напряжение на ней увеличивается, а ток — уменьшается. Отношение U,/U2 называют коэффициентом трансформации.

Если коэффициент трансформации выбран таким образом, что положительная полуволна переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора превышает 0,6…1 В, то тиристор откроется. Так как работа генератора не прекращается, то тиристор будет поддерживаться в открытом состоянии постоянно (если он питается пульсирующим напряжением).

Обычно разделительные трансформаторы наматываются на ферритовых кольцах с внешним диаметром (т. е. максимальным, если сказать образно, то это диаметр бублика; есть еще и внутренний диаметр — диаметр «дырки» у бублика), равном 7…14 мм. Первичная обмотка содержит примерно 50 витков проволоки диаметром 0,1…0,2 мм (с изоляцией), вторичная — 25…50 витков тем же проводом. Перед началом намотки кольцо нужно «обмотать» узкой полоской .изоляции (хотя бы обычной бумагой), а обмотки нужно расположить с разных концов кольца двумя «кучками». Расстояние между крайними выводами обеих обмоток должно превышать 1 мм — иначе их может «пробить» и гальваническая развязка исчезнет, будто ее и не было.

Так как тиристор управляется током, а не напряжением, то на его основе можно собрать устройство, срабатывающего при увеличении напряжения питания выше некоторого предела. Схема такого устройства изображена на рис 1.28, е. Управляющий электрод тиристора соединен с анодом через резистор R1. Пока напряжение питания «+U» слишком мало, то ток, протекающий через этот резистор, оказывается слишком малым для открывания тиристора. При увеличении питания напряжение на аноде тиристора увеличивается (считается, что сопротивление нагрузки RH гораздо меньше сопротивления резистора R1), а напряжение на управляющем электроде остается неизменным. Падение напряжения на резисторе R1 увеличивается и, так как его сопротивление неизменно, увеличивается протекающий через него ток. При некотором напряжении «+U» протекающий Через резистор R1 ток превышает минимальный отпирающий тиристор ток, и тиристор включается. Напряжение включения зависит только от сопротивления резистора R1 и может изменяться в широких пределах.

У этой схемы есть только один недостаток — при большом напряжении включения (более 30 50 В) на резисторе R1 рассеивается значительная мощность, и он очень сипьно греется Поэтому для работы с большим напряжением «придумали специапьные тиристоры, которые назвали динисторами (диодный тиристор)

У динистора только два вывода (нет управляющего электрода), и по принципу действия он похож на «помесь стабилитрона с тиристором (рис. .28, ж). Как известно, пока напряжение на стабилитроне меньше напряжения стабилизации, ток, протекающий через него, очень мал. При напряжении на стабилитроне, равном напряжению стабилизации протекающий через него ток резко увеличивается, он становится достаточным для открывания тиристора. Резистор R1 — токоограничивающий, и в большинстве случаев он не нужен. Напряжение включения тиристора в этой схеме зависит только от напряжения стабилизации стабилитрона.

Этот пример приведен только для объяснения принципа действия динистора, но, котя схема, изображенная на рис. ] .28, ж, является вполне работоспособной, реальные динисторы устроены несколько иначе. Единственная причина этого — практически невозможно расположить стабилитрон с одним р-п-переходом параллельно двум тиристорным переходам на одном кристалле. А два кристалла внутрь одного корпуса практически никогда не «засовывают». Исключение — оптроны.

В динисторах используется одна из особенностей всех тиристоров — при увеличении напряжения между анодом и катодом минимальный отпирающий ток (по управляющему электроду) уменьшается. При некоторой разности потенциалов между анодом и катодом этот ток уменьшается до нуля, и при дальнейшем увеличении напряжения он становится отрицательным, т. е. тиристор останется выключенным только в том случае, если через его управляющий электрод течет отрицательный запирающий ток. Если же управляющий электрод находится в «обрыве» (т. е. ни к чему не подключен), то в таком случае единственно возможное состояние тиристора — открытое, так как режим с отрицательным сопротивлением равносилен протеканию через управляющий электрод отпирающего тока.

В отличие от стабилитрона, напряжение на динисторе не ограничивается, а снижается практически до нуля. Если ток через динистор ограничивается на безопасном для него уровне, то такой режим не приводит к выходу прибора из строя. В противном случае наступает тепловой пробой, опасный для всех полупроводников, и не только для них.

Так же как и у стабилитронов, один из основных параметров динисторов — напряжение пробоя. У отечественных динисторов серии КН102 оно, в зависимости от буквы окончания, находится в пределах 20…150 В. Так же как и стабилитроны , для получения большего напряжения пробоя динисторы можно соединять последовательно, при этом напряжение пробоя цепочки динисторов равно сумме напряжений пробоя всех динисторов. Но так можно соединять только однотипные динисторы, с одинаковыми напряжениями пробоя, так как иначе вначале может открыться один динистор, падение напряжения на нем уменьшается до нуля, а на всех остальных динисторах резко увеличится; это приведет к лавинообразному открыванию остальных динисторов при напряжении меньше суммарного напряжения пробоя всех динисторов в цепи.

При подаче обратного напряжения на динистор он ведет себя как высоковольтный обратносмещенный диод.

Существует также еще один вид тиристоров — симметричный тиристор, или симистор («обычные» тиристоры, которые рассматривались ранее, называются триодными тиристорами или, сокращенно, тринисторами. Но, так как тринистор «появился на свет» гораздо раньше всех остальных тиристоров, его часто постаринке зовут просто тиристором. Какой-либо ошибки в этом нет). В отличие от всех остальных управляемых полупроводниковых приборов (кроме полевых транзисторов), симистору безразлична полярность напряжений на его электродах (аноде и катоде): он способен работать как в прямом, так и в обратном включении, т. е. пропускать через себя переменный ток.

Для открывания симистора его вывод управляющего электрода нужно соединить с анодом (рис. 1.28, и). При этом через нагрузку будут протекать обе полуволны переменного тока. При размыкании кнопки SB (через ее контакты также протекает переменный ток) симистор будет находиться во включенном состоянии до ближайшего перехода сетевого напряжения через нуль, после чего разомкнется.

Управлять симисторами, работающими на переменном токе, гораздо сложнее, чем тринисторами, — для этого нужно коммутировать переменное напряжение (на постоянном токе симистор ничем не отличается от тринистора в управлении). Поэтому управляют им чаще всего через разделительный трансформатор (рис. 1.28, к, д), подавая на его первичную обмотку высокочастотное напряжение.

Некоторыми симисторами можно управлять, подавая на их управляющий электрод отрицательное относительно катода напряжение амплитудой более 0,6…1 В (рис. 1.28, л), при этом они также будут коммутировать обе полуволны сетевого напряжения. Таких симисторов существует очень мало (скорее исключение, чем правило), и внешне они ничем не отличаются от остальных. Из отечественных приборов к таким относится 10-амперный симистор ТС 106-10 в пластмассовом корпусе.

Переменный ток можно коммутировать и с помощью обычного транзистора, включив его нагрузку в диагональ диодного моста (рис. 1.28, м). Его принцип действия можно пояснить с помощью рис. 1.28, н, где вместо тиристора используется кнопка. При разомкнутых контактах кнопки ток в нагрузку не идет, так как при любой полярности сетевого напряжения один из диодов в верхнем и нижнем рядах оказывается закрытым обратным напряжением. При замкнутых контактах кнопки верхние и нижние диоды оказываются соединенными встречно-параллельно, падение напряжения на каждой группе диодов не превышает 0,6…1 В, а на всем мосте — 1,2…2 В. Через нагрузку протекает переменный ток.

Как видно из рис. 1.28, н, на верхнем контакте кнопки напряжение положительно относительно нижнего контакта при любой полярности сетевого напряжения. Поэтому диодовый мост в таком включении очень часто используют там, где нужно коммутировать переменное напряжение прибором, работающим только на постоянном токе (биполярные и полевые транзисторы, тринисторы, динисторы). Его единственный недостаток — большое падение напряжения, поэтому такую схему используют только там, где напряжение питания превышает

20..        .30 В. Максимально допустимый протекающий через каждый диод ток должен превышать максимальный ток нагрузки, а максимальное обратное напряжение диодов и замыкающего их прибора должно превышать

где— переменное входное напряжение;

1.4 — поправочный коэффициент, необходимый для перехода от действующего к амплитудному значению переменного тока синусоидальной формы.

Основное преимущество использования тиристоров для коммутации мощной нагрузки — очень небольшое время включения (из-за сильной внутренней положительной обратной связи), поэтому разогрева корпуса тиристоров из-за «плавного» включения, как это бывает у транзисторов, можно не бояться. Но из-за этой самой положительной обратной связи время выключения тиристоров оказывается довольно значительным, поэтому максимальная рабочая частота для большинства тиристоров не превышает десятков килогерц. Это нужно учитывать.

Падение напряжения на переходах тиристора, так же как и у биполярных транзисторов, включенных по схеме с ОК, не превышает 0,6 .1,5 В, у симисторов оно несколько выше. Падение напряжения зависит только от протекающего через тиристор тока. Уменьшать его, увеличивая ток управляющего электрода, нельзя.

Для поддержания тиристора в открытом состоянии нужно, чтобы через него тек некоторый минимальный прямой ток ΙΜ min, в противном случае тиристор закроется (при отсутствии протекающего через управляющий электрод открывающего тока). Эта величина не нормируется, поэтому в справочниках вы ее не найдете. Минимальный прямой ток в открытом состоянии в среднем в 500…1000 раз меньше минимального допустимого тока.

При определении цоколевки тиристоров последние очень похожи на полевые транзисторы с изолированным затвором и встроенным каналом. Сопротивление между катодом и управляющим электродом очень мало («канал»), а сопротивление между «каналом» и анодом довольно велико. Но, в отличие от полевых транзисторов, сопротивление «канала» у тиристоров не зависит от напряжения на аноде.

Отличить катод от управляющего электрода очень сложно и возможно только на макете. Для этого тиристор включается по схеме на рис. 1 28, а (напряжение питания «+UnHT» не должно превышать 12 В), к нагрузке подключают любой вывод — или катода, или управляющего электрода, — а оставшийся электрод кратковременно соединяют с анодом тиристора. Если тиристор замкнется и напряжение на нагрузке (лампочке) появится, вольтметром измеряют падение напряжения на тиристоре. После этого меняют выводы «канала» местами и повторяют все вышеописанные манипуляции. Когда к нагрузке подключен катод, падение напряжения на переходах тиристора несколько больше; когда же с ней соединен управляющий электрод, тиристор может вообще не включаться. Опре» делять цоколевку симисторов удобно, подавая на них переменное напряжение питания. Кстати, таким образом легко отличить симистор от тринистора. По сопротивлению «канала» можно приблизительно определить мощность (максимально допустимый ток) тиристора.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты