Схема защитного устройства от перенапряжений

Рис. 36. Схема тринисторного электронного предохранителя

В случае короткого замыкания или другой какой-либо неисправности в це­пи нагрузки, когда ток I'в возрастет настолько, что падение напряжения на R2 станет I/нR2>Uу.НОт, тринистор откроется. Напряжение на катушке реле сни­зится до значения U0c<2 В, и реле выключится. Контакты реле K1.1 разомк­нутся, нагрузка и тринистор отключатся от источника питания. После устране­ния неисправности повторное включение нагрузки осуществляется нажатием кнопки S1.

Порог срабатывания устройства можно регулировать резистором Rz. Тип реле и сопротивление резистора Ri выбираются в зависимости от напряжения источника питания и номинального тока катушки реле. Кроме того, сопротивле­ние резистора R1 должно удовлетворять условию UПИТ/R1<I0с, где Iос — на­ибольший прямой постоянный ток тринистора VS1.

Устройство, схема которого показана на рис 35, может быть использовано в относительно низковольтных цепях для защиты нагрузки от перенапряжений. Защитное устройство включается между нагрузкой и источником постоянного напряжения. При номинальном значении напряжения на нагрузке UН, которое должно быть меньше напряжения стабилизации Uст 2 стабилитрона VD2, т. е. UH<UCT2, тринистор VS1, закрыт, а транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыщения (необходимый ток базы устанавливается резистором Ri). При возрастании напряжения на нагрузке до значения U'B, вызывающего пробой стабилитрона (U'н>Uст 2), тринистор открывается, напряжение на базе транзистора VT1 резко уменьшается, транзистор закрывается и, таким образом, цепь нагрузки отключается от источника питания. После устранения неисправ­ности для повторного включения нагрузки необходимо закрыть тринистор, т. е. кратковременно нажать кнопку S1. Чтобы тринистор VS1 оставался в открытом состоянии после срабатывания устройства, его прямой ток, определяемый соп­ротивлением резистора R1, должен быть Iпр = UПит/R1>Iуд. Ток стабилитрона VD2 и сопротивление резистора R3 должны обеспечивать выполнение условий (11).

На рис. 36 приведена схема выключателя на тринисторах, который с помо­щью кнопок включает и отключает питание нагрузки и, кроме того, защищает цепь нагрузки от чрезмерного возрастания в ней тока. Основу защитного уст­ройства составляет двухтринисторный выключатель с коммутирующим конден­сатором, работа которого была рассмотрена выше. Оба тринистора управляют­ся кнопками, а кроме того, на управляющий электрод тринистора VS2 поступа­ет сигнал аварийного отключения, формируемый в самом устройстве (в катод­ной цепи тринистора VS1).

После подачи напряжения питания Uпит оба тринистора остаются закры­тыми, а нагрузка Rн, включенная в анодную цепь тринистора VSi, остается обесточенной. Нагрузка подключается к источнику питания при открывании тринистора VS1, что осуществляется кратковременным нажатием кнопки S1. При открытом тринисторе VS1 коммутирующий конденсатор C1 заря­жается примерно до напряжения источника питания (полярность напряжения на конденсаторе обозначена на схеме). В катодную цепь тринистора VS1 вклю­чен безындукционный резистор R1, через который проходит весь ток нагрузки. Сопротивление резистора Ri выбирается таким, чтобы при максимальном токе нагрузки Iн mах падение напряжения на нем было меньше напряжения пробоя стабилитрона VD2, т. е. Iн mахR1<Uст 2. Если теперь в цепи нагрузки по каким-либо причинам недопустимо увеличится ток до некоторого значения I'н (напри­мер, произойдет короткое замыкание), то напряжение на Ri скачкообразно воз­растет. Как только оно станет равным I'нR1>Ucт 2, произойдет пробой стаби­литрона VD2 и тринистор VS2 откроется. Одновременно напряжением коммути­рующего конденсатора С4 закроется тринистор VSi и нагрузка отключится от источника питания. Сопротивление резистора Ri выбирается из условия (20), и поэтому после разряда конденсатора Ci тринистср VS2 также закроется. Пов­торное включение нагрузки осуществляется кнопкой Si. (При некотором услож­нении схемы можно создать устройство, которое автоматически повторно вклю­чает нагрузку после срабатывания защиты [5]).



Диод VD1 предотвращает попадание отрицательного всплеска напряжения на управляющий электрод тринистора VS2 в момент выключения тринистора VS1. Кнопка S2 служит для отключения нагрузки от источника питания.

Следует отметить, что для правильной работы защитного устройства три-нистор VS1 до момента аварийного отключения должен быть открытым такое время, чтобы коммутирующий конденсатор C1 успел зарядиться до напряжения, обеспечивающего выключение этого тринистора. Если это требование не вы­полняется, то выключить тринистор VS1 будет невозможно и устройство за­щитные функции выполнять не будет.

Прямое напряжение тринисторов VS1 и VS2 должно соответствовать усло­вию (2), а постоянный ток прибора VS1 должен соответствовать условию (5), прибор VS1 должен допускать кратковременный ток IОс.п>I'н. Обратное на­пряжение тринистора VS1 должно быть Uобр>UПит, а для прибора VS2 мо­жет не нормироваться. Сопротивление ограничивающего резистора R3 вычисля­ется по формуле (8), а емкость коммутирующего конденсатора d — по форму­ле (18). Порог срабатывания защитного устройства устанавливается выбором соответствующего типа стабилитрона VD2

и сопротивления резистора R,.

Время срабатывания такого электронного предохранителя, как и преды--Дущих защитных устройств, не превышает несколько десятков микросекунд, что более чем в 1000 раз меньше времени срабатывания обычного плавного предохранителя. Кроме того, элементы рассмотренных защитных устройств в противоположность плавким предохранителям не требуют замены после аварий­ного отключения.

Кроме защиты цепей от перенапряжений и токовых перегрузок, на основе тринисторов можно создавать различные защитные устройства иного назначе­ния. Рассмотрим несколько таких схем.

Как известно, аккумуляторы в процессе эксплуатации не должны разря-.жаться ниже некоторого напряжения. Защитное устройство с тринисторамн (рис. 37) автоматически отключает нагрузку при уменьшении напряжения ба­тарей аккумулятора GBi до некоторого допустимого уровня.



В исходном состоянии тринисторы VS1 и VS2 закрыты и нагрузка RН от­ключена от батареи (контакты кнопки S1 нормально замкнуты, a S2 — разомк­нуты). Нагрузка подключается к батарее GBl при кратковременном нажатии «кнопки S2, которая открывает тринистор VS1, и коммутирующий конденсатор С, заряжается до напряжения, действующего на нагрузке. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, значение которого устанавливается переменным (Резистором R6. Это напряжение стабилизируется стабилитроном VD{ и явля­ется напряжением на эмиттере однопереходного транзистора VT,.

В процессе работы напряжение батарей аккумулятора GBt падает. Соот­ветственно уменьшается и напряжение Um Б, между базами однопереходного транзистора VT1, в то же время напряжение на его эмиттере остается неиз­менным. При некотором минимально допустимом напряжении батареи (которое определяется заранее установленным напряжением на конденсаторе С2) откры­вается однопереходный транзистор и конденсатор С2 разряжается через пере­ход эмиттер — база 1 и первичную обмотку трансформатора Ть Тринистор VS2 открывается, коммутирующий конденсатор С1 подключается параллельно тринистору VS1 и закрывает его, что приводит к отключению нагрузки от ба­тареи. Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы обеспечивалось ус­ловие (6), поэтому после выключения прибора VSi тринистор VS2 также за­крывается. Кнопка S1 позволяет вручную отключить нагрузку от аккумулятора.

Тринистор VS1 по току выбирается согласно требованиям (5) и должен иметь допустимое обратное напряжение не менее чем напряжение батареи ак­кумуляторов. Емкость конденсатора С1 рассчитывается по формуле (18), а сопротивление резистора R2 — по формуле (8).



Рис. 37. Схема автоматического защитного устройства для аккумуляторных батарей.

Устройство, схема которого изображена на рис. 38, предназначено для защиты двигателя постоянного тока от перегрузок. Защитное устройство от­ключает двигатель в случае возрастания потребляемого им тока при повыше­нии напряжения сети или недопустимого увеличения нагрузки на вал двига­теля.



Двигатель М1 и защитное устройство питаются от выпрямителя, собранно­го по мостовой схеме (диоды VD1 — VD4). Соединенные последовательно дви­гатель M1, тринистор VS1 и резистор R1 с сопротивлением несколько ом вклю­чены непосредственно в диагональ моста и питаются пульсирующим током. Маломощный тринистор VS2 предназначен для выключения тринистора VS] Анодная цепь тринистора VS2 и цепь управления тринистора VSi подключены к выходу Г-образного фильтра (R3, С2).



Рис. 38. Схема защиты двигателя от перегрузок

После замыкания выключателя Q1 на управляющий электрод тринистора VS1 через резисторы R4, R5 и диод VD5 подается положительное напряжение, тринистор VS1 открывается и включает двигатель. Ток, потребляемый двига­телем, протекает через резистор RI, и, следовательно, падение напряжения на R! пропорционально этому току. Стабилитрон VD$ выбирается таким, чтобы при номинальном токе двигателя напряжение uRl, снимаемое с резистора Ri, было меньше напряжения стабилизации uR1<Uст6, и тринистор VS2 остается закрытым. Если по каким-либо причинам ток двигателя возрастет настолько, что подаваемое на стабилитрон напряжение и'R1 окажется больше напряже­ния стабилизации: u'R1>UСтб, то тринистор VS2 откроется и закоротит цепь управления тринистора KS,, который в конце очередного полупериода анодного напряжения закроется. Цепь питания двигателя разрывается, и он отключается. Сопротивление резистора R4 выбирается из условия (3), так что тринистор VS2 остается в проводящем состоянии.

Для повторного включения двигателя следует нажать кнопку S1, контак­ты которой замыкают накоротко выводы анод — катод тринистора VS2, и он закрывается, а тринистор VS: вновь открывается, восстанавливая цепь пита­ния двигателя. Порог срабатывания устройства может регулироваться перемен­ным резистором Ri. Резистор R2 и конденсатор С1 образуют интегрирующую цепочку, которая препятствует срабатыванию защиты при пуске двигателя, ког­да в его цепи проходит большой пусковой ток.


Постоянная времени этой цепи должна быть около 0,5... 0,8 с, что имеет место при R2=15... 20 кОм C1 = = 25 ... 50 мкФ.

Стабилитрон VD6 выбирается согласно условиям (11). Тринистор по току и напряжению подбирается соответственно мощности двигателя. Тринистор VS2 маломощный. Оба тринистора могут быть без нормированного обратного напряжения, но должны иметь напряжение в закрытом состоянии не менее амплитудного значения напряжения сети питания.

Тринисторное защитное устройство в выпрямителе, предназначенном для зарядки аккумуляторных батарей (рис. 39), автоматически отключает аккуму­лятор, когда последний полностью зарядится. Это защитное устройство работа­ет аналогично предыдущему. Двухполупериодный зарядный выпрямитель вы­полнен на понижающем трансформаторе Т1 и диодах VD1 и VD2. На выходе выпрямителя включены последовательно тринистор VS1, амперметр РА1 и за­ряжаемый аккумулятор GB1. Током тринистора VS1, который открыт в течение всего периода переменного напряжения, заряжается аккумулятор.



Рис. 39. Схема зарядного выпрямителя с тринисторной защитой

Управляющее напряжение на тринистор VS2 снимается с делителя на­пряжения R4, R5, подключенного параллельно аккумулятору. Его уровень uR5 устанавливается переменным резистором R$ в зависимости от типа используе­мого стабилитрона VD$ таким, чтобы стабилитрон включался, ког­да аккумулятор полностью зарядится. При пробое стабилитро­на открывается тринистор VS2, а тринистор VSi закрывается и за­рядка аккумулятора прекращается. Для этого сопротивление резистора R? должно обеспечивать выполнение условия (3). Напряжение пробоя стабилитро­на VD4 должно быть меньше номинального напряжения аккумулятора и отве­чать требованию (11).

Тепловой защитный выключатель (рис. 40) может использоваться в уста­новках, содержащих нагревательные элементы (термостаты, печи и т. д.), в которых всегда существует аварийная опасность перегрева. В защитном уст­ройстве используется выключатель переменного тока (рис. 25,а).



Нагревательный элемент EKi включен в сеть переменного тока последова­тельно с выпрямительным мостом VD2 — VD5. Тринистор VS2 выключателя уп­ равляется маломощным вспомогательным тринистором VS1. Диод VD1 и кон­денсатор Ci образуют однополупериодный выпрямитель, служащий для пита­ния анодной цепи тринистора VS1 и цепи управления тринистора VS2.

В исходном (выключенном) состоянии устройства контакты кнопки Sj ра­зомкнуты, а контакты электротеплового реле КК1 замкнуты. Тринисторы VS1 и VS2 закрыты, и ток через нагревательный элемент не проходит. Для включе­ния нагревателя необходимо кратковременно нажать кнопку Si; при этом через цепи управляющих электродов обоих тринисторов пойдет ток и приборы от­кроются. Сопротивление резистора RI выбирается из условия (3); поэтому пос­ле размыкания контактов кнопки Si тринистор VSi останется в открытом со­стоянии. Постоянный анодный ток тринистора VSi проходит через цепь управ ляющего электрода прибора VS2, который, таким образом, поддерживается в открытом состоянии в течение каждого положительного полупериода напря­жения на его аноде. Когда тринистор VS2 открыт, то к подогревательному эле­менту прикладывается практически все напряжение сети и через него протека­ет номинальный ток.



Рис. 40. Схема теплового защитного выключателя

Предположим теперь, что вследствие какой-либо неисправности в системе терморегулирования (на схеме не показана) температура подогревательного элемента достигла критического значения, на которое было отрегулировано реле КК1. Контакты этого реле разомкнутся и разорвут анодную цепь трини­стора VS1 и цепь управления тринистора VS2. Анодный ток тринистора VS1 (а следовательно, и управляющий ток прибора VS2) станет равным нулю, и тринистор VS2 в конце очередного положительного полупериода анодного на­пряжения выключится. Ток через подогревательный элемент прекратится. Че­рез некоторое время по мере остывания подогревателя контакты реле КК1 вновь замкнутся, однако оба тринистора останутся закрытыми и ток в нагруз­ке проходить не будет.


Для повторного включения нагревателя необходимо вновь нажать кнопку S1, Лампа HL1 горит при нормальной работе подогрева­теля и гаснет при срабатывании теплового выключателя, сигнализируя о не­исправности в системе терморегулирования.

Тринистор FS2 и диоды моста VD2 — VD5 должны быть рассчитаны на про­пускание максимального тока используемого подогревательного элемента (см. выбор элементов выключателя рис. 25,а). Тринистор VSi маломощный, его прямой ток может не превышать значение Iу.0т тринистора VS2, в то же время допустимое прямое напряжение прибора VS1 должно быть, как и у тринисторз VS2, т. е. не менее амплитудного значения напряжения питающей сети. Сум­марное сопротивление резисторов RI и R2 должно удовлетворять требованию (8). Кроме того, резистор R1 ограничивает анодный ток тринистора VSi (а сле­довательно, и ток управления тринистора VS2) до безопасного для приборов значения. Напряжение на конденсаторе С1 примерно равно амплитудному зна­чению напряжения сети.

17. Устройства сигнализации и контроля

Тринисторы находят широкое применение в разнообразных сигналь­ных и контрольных устройствах. В зависимости от используемых датчиков ус­тройства могут срабатывать от электрических сигналов, механических воздей­ствий, а также от действия света, звука, температуры, давления и т. д.

Сигнальное устройство, схема которого приведена на рис. 41, служит дли контроля напряжения аккумулятора (батареи). Индикаторная лампа заго­рается, когда контролируемое напряжение снижается до некоторого уровня, при котором необходима замена или зарядка аккумулятора.

Контролируемое напряжение подается на тринистор VS1, в анодную цепь которого включена индикаторная лампа HL1. Тринистор управляется релакса­ционным генератором на однопереходном транзисторе VT1 (см. § 8). Напряже­ние на эмиттере однопереходного тран­зистора стабилизировано стабилитроном VD1, а междубазовое напряжение мо­жет регулироваться потенциометром R4 и устанавливается таким, чтобы при но­минальном напряжении аккумулятора однопереходный транзистор оставался закрытым, т.


е. переход эмиттер — база 1 транзистора был включен в обратном направлении. При этом тринистор VSi также будет закрыт.



Рис. 41. Схема устройства для кон­троля напряжения аккумулятора (батареи)



Рис. 42. Схема сигнали­затора телефонных звон­ков

По мере разряда аккумулятора его напряжение уменьшается, снижается также и междубазовое напряжение однопереходного транзистора, в то же вре­мя стабилизированное напряжение на его эмиттере (напряжение на конденса­торе С1) сохраняется постоянным. Наконец, при некотором напряжении акку­мулятора междубазовое напряжение уменьшается настолько, что переход эмит­тер — база 1 однопереходного транзистора оказывается включенным в прямом направлении; при этом транзистор открывается и включает тринистор, соответ­ственно загорается индикаторная лампа. Пороговый уровень напряжения, при котором срабатывает сигнальное устройство, устанавливается потенциомет­ром R4.

Сигнальное устройство не должно заметно нагружать аккумулятор (бата­рею) ; поэтому в нем следует использовать тринистор, имеющий малый ток в закрытом состоянии (типа КУ101), и слаботочный стабилитрон (например, ти­пов Д808, Д814А), а сопротивление резистора R4 должно быть несколько де­сятков килоом.

Устройство, схема которого приведена на рис. 42, выполняет функции теле­фонного сигнализатора и подает световой сигнал при каждом телефонном звон­ке. Индикаторная лампа HLi загорается от первого звонка и в зависимости от выбранного режима работы горит либо только в течение действия звонка, либо загорается и остается включенной после вызова, тем самым давая знать або-нету, что кто-то звонил, когда никого не было дома.

Особенность сигнализатора состоит в том, что он не имеет непосредствен­ной связи с телефонной линией и управляется электромагнитным полем, воз­никающим при работе телефонного звонка. Когда включается телефонный зво­нок, в катушке связи L1, расположенной непосредственно у звонка, индуциру­ется переменный ток.


Этот сигнал усиливается транзистором VT1, включенным по схеме с общей базой, нагрузкой которого является цепь управляющего электрода тринистора VS1. Если при воздействии сигнала амплитуда коллектор­ного тока транзистора превысит значение отпирающего тока управления три­нистора VS1, то последний открывается и загорается индикаторная неоновая лампа HL1, которая включена в его анодную цепь. Следует заметить, что ток локоя транзистора УТ{ должен быть меньше неотпирающего тока управления тринистора VSi.



Рис. 43. Схема сигнального охранного устройства

На анод тринистора в зависимо­сти от положения переключателя S2 подается или положительная полу­волна напряжения сети, или постоян­ное напряжение. Когда переключа­тель S2 находится в положении 1, анодная цепь тринистора через диод VDi подключается непосредственно к сети переменного тока. При этом три­нистор, а следовательно, и лампа HLi выключаются, как только исчез­нет сигнал на управляющем электро­де, т. е. перестанет звонить телефон. Переключатель S2 в положении 2 подклю­чает тринистор к источнику постоянного напряжения. Сопротивление резистора Rz выбирается таким, чтобы ток горения лампы HLi был больше удерживающего тока тринистора. Если такой ток для лампы недопустим, то следует подключить шунтирующий резистор Rs. Таким образом, тринистор и лампа останутся вклю­ченными после исчезновения сигнала на управляющем электроде (т. е. после окончания звонка) до тех пор, пока не будет нажата кнопка St.

Диод VD2 и конденсатор С3 образуют однополупериодный выпрямитель. С делителя R4R5, включенного на выходе выпрямителя, снимается напряжение для питания транзистора V7Y Диод VDi устраняет возможность подачи отри­цательного напряжения на анод тринистора, когда на управляющем электроде действует положительный отпирающий сигнал (во время телефонного звонка).

Рассмотрим несколько схем сигнальных устройств, выполняющих сторо­жевые функции.

Простое сигнальное устройство (рис. 43) может быть использовано для охраны участков территории, зданий, квартиры и других объектов.


Охранный шлейф, представляющий собой тонкий медный провод (диаметром 0,3... 0,5 мм), незаметно прокладывается вокруг охраняемого участка, здания или дру­гого объекта, а в квартире — в тех местах (у закрытых окон, дверей и т. д.), где он будет оборван в случае проникновения постороннего лица внутрь по­мещения. К сигнальному устройству шлейф Rшл подключается к точкам 1 и 2, Напряжение питания на устройство подается после замыкания выключателя Q1. При поданном напряжении питания, если шлейф цел, выводы эмиттер — база транзистора VTt замкнуты накоротко проводом шлейфа RШл и транзистор закрыт. Тринистор VS1 также закрыт, а сигнальная лампа HL1 погашена. В момент обрыва провода шлейфа транзистор VT1 открывается. Его коллектор­ный ток протекает через цепь управления тринистора VS1 и открывает его. Лампа HL1 загорается, сигнализируя о нарушении целостности охранного шлейфа.



Рис. 44. Схема сигналь­ного охранного устрой­ства с однопереходным транзистором

Кнопка S1 имитирует обрыв шлейфа и используется для проверки его це­лостности. Резистор R1 ограничивает коллекторный ток транзистора до зна­чения отпирающего тока управления тринистора VS1, его сопротивление рас­считывается по формуле (8). Ток покоя транзистора VT, должен быть меньше неотпирающего тока управления тринистора, а коллекторный ток в режиме на­сыщения превышать значение отпирающего тока управления. Вместо индикатор­ной лампы можно использовать прибор звуковой сигнализации или маломощное реле, которое, в свою очередь, включит прибор звуковой (световой) сигнализации.

Второе сигнальное охранное устройство (рис. 44) построено с использова­нием однопереходного транзистора. Это устройство, как и предыдущее, сраба­тывает при нарушении целостности охранного шлейфа Rшл (защитной цепи), который подсоединяется к точкам 1 и 2. Тринистор VS{ отпирается импульса­ми, вырабатываемыми релаксационным генератором на однопереходном тран­зисторе (см. § 8). Защитная цепь, пока она цела, накоротко замыкает обклад­ки конденсатора С2, и напряжение на эмиттере однопереходного транзистора VT1 равно нулю — транзистор VT1 и тринистор VS1 закрыты.


В случае разры­ ва защитной цепи напряжение на C2 возрастает, транзистор УТ{ отпирается, при этом положительным импульсом, снимаемым с резистора R3, открывается тринистор VS1, который включает звуковой НА1 (или световой) сигнал трево­ги. Анодный ток тринистора VSi должен быть больше удерживающего тока (при необходимости устанавливается резистор Л?4), и поэтому выключить сиг­нал можно только при размыкании выключателя Q! в цепи питания. Ток, по­требляемый устройством в дежурном режиме, определяется сопротивлением резистора R1 и токами тринистора и однопереходного транзистора в закрытом состоянии.

Очевидно, что напряжение питания в таком сигнализаторе, как и в преды­дущем, может быть включено только при полностью замкнутой защитной цепи.



Рис. 45. Схема сигнального устройства «квартирный сторож»

Сигнальное устройство (рис. 45) выполняет функции электронного «квар­тирного сторожа». Датчики, которыми могут служить концевые выключатели (малогабаритные кнопки KM1-I или микропереключатели типа МП), тонкие медные проводники или полоски фольги, устанавливаются на оконных рамах и наружной двери квартиры. Полоски фольги (или тонкую медную проволоку) приклеивают на оконные стекла и подсоединяют к клеммам концевых выклю­чателей, устанавливаемых на оконных рамах. Все датчики соединяются после­довательно, образуя защитную цепь (охранный шлейф). При закрытых окнах и двери электрическая цепь, образованная датчиками, должна быть замкнута. Обрыв защитной цепи включает сигнал тревоги. Цепь датчиков кроме конце­вого выключателя S1, устанавливаемого на наружной двери, подключается к точкам 1 и 2 устройства, а выключатель Si — к точкам 2 и 3.

Напряжение питания на сигнализатор включается при замыкании кон­тактов Q1. Если вся защитная цепь (вместе с выключателем S1) замкнута, то после подачи питания откроется транзистор VT1. Ток, проходящий по цепи: плюсовой зажим источника, замкнутые контакты выключателя Qb резистор R5. защитная цепь, база — эмиттер транзистора VT1, минусовой зажим источника, поддерживает транзистор VT1 в насыщенном состоянии.


Необходимый ток базы транзистора устанавливается подбором сопротивления резистора R5. Коллектор­ное напряжение насыщенного транзистора близко к нулю, и тринистор VS1 ос­тается закрытым.

Любое нарушение целостности электрической цепи защитного контура (на­пример, вследствие открывания наружной двери или оконных рам, обрыва полосок фольги на оконных стеклах, если они разбиты и пр.) разрывает цепь питания базы транзистора VT1. Транзистор переходит в режим отсечки, на­пряжение на его коллекторе, а значит, и на конденсаторе С2 возрастает, и, когда это напряжение становится достаточным для отпирания тринистора У5Ь последний открывается, включая сигнал тревоги (звонок, сирену ЯЛ]). Анодный ток тринистора VSi должен быть больше удерживающего тока (при необходи­мости в анодную цепь включается шунтирующий резистор R2), и, таким обра­зом, звуковой сигнал подается до тех пор, пока не будет отключен источник питания.

Тринистор VS2 играет вспомогательную роль и делает устройство более удобным для использования. Без этого тринистора невозможно было бы вый-,ти из квартиры при включенном сигнальном устройстве, не вызвав его срабаты­вания. Действительно, перед тем как покинуть квартиру, ее владелец включа­ет сигнализатор. Затем, чтобы выйти из квартиры, должна быть открыта вход­ная дверь. Однако при этом разомкнется концевой выключатель S1 двери и включится звуковой сигнал. Некоторое усложнение схемы устраняет этот не­достаток. Параллельно выключателю S1 подсоединен тринистор VS2. Если вы­ключатель Si разомкнут (выходная дверь открыта), то при замыкании выклю­чателя Qi импульсом тока, заряжающего конденсатор С3, тринистор VS2 от­крывается. Сопротивление резистора R5, определяющее значение анодного тока тринистора VS2, должно быть таким, чтобы выполнялось условие (3), т. е. после открывания тринистор VS2 должен оставаться в проводящем состоянии и поддерживать транзистор VT1 в режиме насыщения. После окончания заряда конденсатора С3 ток управляющего электрода тринистора VS2, определяемый напряжением источника питания и сопротивлением резистора R6, должен быть меньше значения неотпирающего тока управления, т.


е. Uпит/Rб<Iу.нот. При закрывании наружной двери тринистор VS2 шунтируется контактами концевого выключателя St и закрывается, однако при этом транзистор VT1 по-прежнему остается в насыщенном состоянии. Таким образом, при открытой входной двери квартиры можно включить напряжение питания устройства и звуковой сигнал тревоги подаваться не будет. Важно отметить, что при повторном открывании двери звуковой сигнал включится, так как тринистор VS2 не может вновь от­крыться, поскольку конденсатор Сз все время остается заряженным до напряжения Uс3, определяемого сопротивлением резисторов R6 и R7, т. е. Uсз=UпитRб/(Rб +R7). Соотношение между R6 и R7 выбирается R6/R7>100, так что Uсз=UПИТ.

Батарея GB1, ЭДС которой равна выходному напряжению выпрямителя, ставится на выходе последнего для того, чтобы устройство оставалось дейст­вующим, даже если не будет напряжения в сети переменного тока. Сигнализа­тор удобно питать постоянным напряжением 6... 12 В.

Возможен также вариант «тихого сторожа», в этом случае исполнительный элемент звуковой (световой) сигнализации устанавливается не в квартире, а в ином месте.

В заключение параграфа остановимся на двух сигнальных устройствах, предназначенных для использования в автомобиле. На рис. 46 элементы сигна­лизаторов, добавляемых в схему электрооборудования автомобиля, выделены штриховой линией.

Сигнализатор (рис. 46,о) предупреждает водителя автомобиля в случае, если он, покидая машину, забыл выключить габаритный свет. Схема содержит тринистор VS1, в анодную цепь которого включен источник звукового сигнала НА1 (зуммер, вибратор, реле и т. д.), два резистора RI и R2 и выключатель Si. Сигнальное устройство подсоединяется к цепи электрооборудования автомобиля тремя проводами. Управляющее напряжение на тринистор VS1 подается через выключатель габаритного освещения S3, катодная цепь тринистора подсоединя­ется к плюсовому выводу дверного выключателя S2 освещения салона, анод­ная цепь — к плюсовому проводу аккумулятора.


Выключатель S1 включает на­пряжение питания на сигнализатор.



Рис. 46. Сигнальные устройства для автомобиля:

а — схема устройства, сигнализирующего о невыключенном габаритном свете; б — схема «электронного сторожа» (EL1 — лампа освещения салона, S2 — дверной выключатель осве­щения салона, 8з — выключатель габаритного освещения, НА1 — источник звукового сиг­нала)

При поданном напряжении питания тринистор VS1 откроется и включит звуковой сигнал только в том случае, если одновременно оказываются замк­нутыми выключатели S2 и S3, т. е. если открыть дверь кузова при зажженых габаритных огнях. Когда дверь закрыта, концевой выключатель S2 разомкнут, поэтому питание на сигнализатор не подается, хотя габаритный свет можег быть включен. Тринистор также остается в закрытом состоянии, если открыть дверь при выключенных лампах габаритного света (разомкнутом выключате­ле 53).

Второе сигнальное устройство (рис. 46,5) выполняет функции «сторожа» автомобиля, включая звуковой сигнал при попытке постороннего лица открыть дверь салона. Как и в предыдущем сигнализаторе, в качестве датчика исполь­зуется дверной выключатель S2 освещения салона. Анодная цепь тринистора VSi подсоединяется к катушке электромагнита звукового сигнала ( к тому зажиму, от которого идет провод к кнопке на рулевой колонке автомобиля). Управляется тринистор коллекторным током транзистора VT1, база которого через резистор R1 и диод VD1 подсоединяется к плюсовому зажиму дверного выключателя S2. Выключатель Si устанавливается снаружи кузова, и его мес­торасположение должно быть известно лишь владельцу автомобиля.

Сигнализатор работает следующим образом. После того, как автомобиль поставлен на стоянку, водитель, покинув машину и закрыв дверь кузова, вклю­чает выключатель S1 и на сигнализатор подается напряжение питания ( + 12 В). Однако транзистор VT1 остается закрытым, поскольку напряжение на базе относительно эмиттера практически равно нулю (выключатель S2 разомкнут), Если теперь открыть дверь кузова, то выключатель S2 замкнется, переход — база — эмиттер транзистора VT1 включится в прямом направлении, транзистор откроется и попадет в режим насыщения, что обеспечивается соответствующи­ми значениями сопротивлений резисторов R3 и R4. Коллекторный ток транзис­тора, протекая в цепи управления тринистора, открывает последний, и он, в свою очередь, включит звуковой сигнал автомобиля.


Звуковой сигнал останется также включенным, если теперь закрыть дверь кузова, и может быть отклю­чен только выключателем S1. Через тринистор VS1 протекает ток, потребляе­мый электромагнитом звукового сигнала автомобиля. Этот ток имеет пульси­рующий характер с амплитудой до 20 А и средним значением около 4 А. Ис­ходя из этих значений и выбирается соответствующий тип тринистора (на­пример, КУ202А). Резистор R{ ограничивает ток управляющего электрода три­нистора, и его сопротивление рассчитывается по формуле (8). Диод VD{ пред­отвращает протекание тока через лампу EL1 при подсоединенном к электрообо­рудованию автомобиля сигнализаторе.

 

Глава 4

 

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

НА ДИОДНЫХ И ТРИОДНЫХ ТИРИСТОРАХ

 

18. Генераторы пилообразного напряжения

Схема генератора пилообразного напряжения на динисторе (рис. 47,а) идентична обычной схеме релаксационного генератора на неоновой лам­пе, но имеет лучшие характеристики по сравнению с последней. Так, напри­мер, время выключения динистора меньше времени деионизации газонаполнен­ной (неоновой) лампы, и поэтому частота повторения импульсов в генераторе с динистором может быть получена более высокой (до нескольких десятков килогерц). Падение напряжения на динисторе значительно меньше, чем на лампе при возникновении тлеющего разряда (примерно 40... 50 В), поэтому коэффициент использования напряжения источника питания в генераторе с динистором получается значительно большим.



Рис. 47. Генератор пилообразного напряжения на динисторе:

а — схема генератора; б — форма выходного напряжения; в — положение нагрузочной пря­мой генератора

Генератор (рис. 47,а) работает следующим образом. После включения на­пряжения источника питания UПит, которое выбирается из условия UПит>Uпрк, конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Напряжение на кон­денсаторе, а следовательно, и на аноде динистора VS1 нарастает по экспонен­те до тех пор, пока несколько не превысит напряжение переключения UПрк динистора.


В этот момент динистор переключается в открытое состояние и конденсатор разряжается через динистор и резистор R2, на котором возника­ет импульс с амплитудой, примерно равной Uпрк. Через открытый динистор протекают ток разряда конденсатора и ток от источника питания (через RI). Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы для тока, протекающего через прибор от источника, выполнялось условие UПИТ/R1<Iуд; поэтому пос­ле окончания разряда конденсатора динистор вновь закроется и цикл пере­ключений будет повторяться. Резистор R2 ограничивает ток разряда конден­сатора С1 до безопасного для динистора значения.

Пилообразное напряжение и1, амплитуда которого практически равна Uпрк динистора, снимается с конденсатора С1. На резисторе Rz получаются импульсы «2 положительной полярности с крутым передним фронтом, длительность ко­торых определяется временем разряда конденсатора, а амплитуда примерно равна значению UПрк (рис. 47,6).

Элементы схемы генератора выбираются из следующих соотношений:



Первое, второе и последнее соотношения обеспечивают устойчивое включение динистора, третье — его выключение. При выполнении первых трех условий

прямая нагрузки пересекает вольт-амперную характеристику динистора в одной точке К на участке 2 (рис. 47,в). Угол наклона нагрузочной прямой г|э прямо пропорционален значению arctg 1/R1. Положение рабочей точки на этом участ­ке неустойчиво, что и обусловливает режим автоколебаний. Для обеспечения этого режима необходим тщательный подбор сопротивления резистора Rь Длительность пилообразных импульсов определяется формулой



Длительность импульсов Т2, снимаемых с резистора R2,



Обычно T1>T2, и поэтому частота повторения импульсов (частота собст­венных колебаний) генератора F=l/т1. Регулировка частоты повторения осу­ществляется, как правило, изменением емкости конденсатора d. Для получе­ния хорошей линейности пилообразного напряжения и повышения стабильности частоты повторения необходимо, чтобы Uпит>Uпрк.



Генератор можно синхронизировать на более высокой частоте, чем частота собственных колебаний, подачей внешних импульсов. В качестве примера на рис. 48 приведена схема генератора, синхронизируемого импульсами отрицатель­ной полярности.

Генератор будет запускаться в тот момент, когда сумма напряжения на конденсаторе ис1, которое нарастает по экспоненте, и напряжения синхронизи­рующего импульса Uсинхр превысит напряжение переключения динистора Uпрк, т. е.

uC1 + | UсинхР | > UпРк

Такой генератор с внешней синхронизацией может быть использован как делитель частоты. Действительно, если в момент прихода синхронизирую­щего импульса нарастающее напряжение ис1 на конденсаторе таково, что еще uc1+ |Uсинхр|<Uпрк, то динистор в открытое состояние не переключится. Со­ответствующим выбором амплитуды синхронизирующих импульсов можно добиться, чтобы динистор переключался не от первого, а от второго или третьего импульса и т. д.; тогда частота следования выходных импульсов будет в два, три раза и т. д. меньше частоты следования синхронизирующих импульсов.

                                                     


Рис. 48. Схема генератора пилооб­разного напряжения с внешней син­хронизацией на динисторе

Рис. 49. Схема генератора пилооб­разного напряжения на тринисторе

Генератор пилообразного напряжения на тринисторе (рис. 49) работает в ждущем режиме и запускается внешними импульсами. В интервалах между импульсами тринистор VS1 закрыт, а конденсатор С1 заряжается примерно до напряжения Uc1=Uпит и затем быстро разряжается через резистор R2 и три­нистор VS1, когда на последний подается отпирающий импульс UВх.и. После разряда конденсатора тринистор выключается, что обеспечивается соответст­вующим выбором сопротивления резистора R1 по условию (6). Напряжение пилообразной формы U1 снимается с анода тринистора, а выходное напряже­ние «2, представляющее собой короткие импульсы отрицательной полярности с крутым фронтом, — с резистора R2.


Амплитуды выходных импульсов и1 и и2 примерно равны напряжению источника питания. При работе генератора в ди­апазоне частот (от Fmin до Fmax) амплитуды выходных импульсов сохраняют­ся постоянными, если значение постоянной времени зарядной цепи, равное (R1+R2)C1, отвечает условию l/Fmax>3(R1+R2)C1. При выполнении этого требования конденсатор C1 успевает практически полностью зарядиться в те­чение самых коротких интервалов Tmin = 1/Fтax между импульсами.

Резистор R2 ограничивает ток разряда конденсатора до безопасного для тринистора значения, его сопротивление рассчитывается по формуле R2>Uпит/Iос.п. Диод VD{ устраняет на выходе в паузе между импульсами Uj положительные выбросы за счет зарядного тока конденсатора С1.

Рассмотренные генераторы (рис. 47,а, 49) помимо пилообразного напряжении позволяют формировать короткие мощные импульсы, длительность которых оп­ределяется процессом разряда конденсатора. Формирование этих импульсов ос­новано на принципе накопления энергии, суть которого состоит в следующем. В интервале времени tзар, пока происходит медленный заряд конденсатора, в электрическом поле последнего накапливается некоторое количество энергии We. Затем при открывании тринистора (динистора) накопленная энергия в течение короткого промежутка времени Iраз выделяется в разрядной цепи (практически не ограничивающем резисторе). Мощность, расходуемая источни­ком питания в процессе заряда конденсатора, пропорциональна Wc/tзap, а им­пульсная мощность при разряде составляет Wc/tpa3. Поскольку IЗар>tраз, то мощность, потребляемая от источника, оказывается в tзар/tраз раз меньше мощности формируемого импульса. Таким образом, генератор, питаемый от маломощного источника, позволяет получать импульсы значительной мощности. Это обусловило широкое использование таких генераторов, главным образом на тринисторах, в различных устройствах. Генератор (рис. 49), например, мо­жет быть использован в полупроводниковых системах зажигания для автомо­бильных двигателей внутреннего сгорания; в этом случае вместо резистора R2 включается первичная обмотка катушки зажигания.





Рис. 50. Схема частотомера на тринисторе

На рис. 50 приведена простая и надежная схема частотомера, выполнен­ного на тринисторном генераторе (рис. 49). Здесь параллельно резистору R2 подключен измерительный прибор РА1 — микроамперметр, через который про­текает часть разрядного тока конденсатора С1. Импульсы, частоту следования Рпям которых необходимо измерить, подаются на управляющий электрод три­нистора VS1. Последний отпирается с приходом каждого импульса и разряжа­ет конденсатор С1. Среднее значение разрядного тока Iр.ср определяется емкостью конденсатора С1, напряжением Uc1, до которого он заряжается к мо­менту включения тринистора, и частотой разряда, т. е. Iр.Ср = С1Uc1FИЗМ. Та­ким образом, при постояннных значениях С1 и Uc1 показания прибора пропор­циональны только частоте входных импульсов и не зависят от их длительно­сти и амплитуды.

Для уменьшения погрешности измерений постоянная времени зарядной це­пи R1C1 должна быть примерно на порядок меньше минимального периода пов­торения входных импульсов 1/Fизм max, т. е. R1C1<1/10Fизм max, а зарядное напряжение следует стабилизировать (стабилитрон VZ)2). Сопротивление рези­стора R1 выбирается по условию (6). Шунтирующий диод VD1 устраняет про­хождение зарядного тока конденсатора через измерительный прибор РА1. В частотомере можно применить маломощный тринистор типа КУ101 и др.

Тринисторы можно использовать в качестве переключающих элементов для получения пилообразных токов в устройствах строчной развертки телеви­зоров на электронно-лучевых трубках с большими экранами. Подобные схемы позволяют получать большие по сравнению с транзисторными устройствами от­клоняющие токи и потребляют значительно меньшую мощность, чем устройст­ва развертки на электронных лампах. В схемах строчной развертки телевизи­онных приемников, выпускавшихся в прошлые годы, просто заменить комму­тирующий прибор (лампу, транзистор) тринистором нельзя, так как по прин­ципу работы таких устройств коммутирующий прибор должен полностью закры­ваться при прохождении через него большого тока.



На рис. 51, а показана упрощенная схема выходного каскада строчной раз­вертки с тринистором. Здесь для закрывания тринистора VS1 используется спе­циальный конденсатор С1, называемый конденсатором обратного хода раз­вертки.

Рассмотрим работу устройства, воспользовавшись графиками рис. 51,6. После включения напряжения источника питания UПИТ (момент t0) конденса­тор С, резонансно заряжается через дроссель L3. Пусть к моменту t1 процесс заряда закончится (напряжение на конденсаторе ис1 будет примерно равно 2UПит). Если в этот момент на тринистор VS1 подать включающий импульс ИУ, то энергия, накопленная в конденсаторе, через трансформатор Т{ начнет поступать в отклоняющие катушки строчной развертки L0.K. Индуктивность от­клоняющих катушек L0.K, емкость конденсатора Ci и параметры трансформа­тора Т{ выбираются такими, чтобы разряд конденсатора имел колебательный характер. Через четверть периода собственных колебаний конденсатор C1 разрядится, тринистор закроется, а ток iО.к в катушках достигнет максимального значения Iо.кmах (момент t2). В этот момент на катушке L0.K возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся поддержать ток в катушке. Значение этой ЭДС превышает напряжение UПИТ, а ее полярность такова, что диод VD} включа­ется в прямом направлении и таким образом источник питания UПИт непос­редственно соединяется с катушкой L0.K. В цепи L0.K — VDi — UППт возникает ток iо.к, возвращающий энергию в источник питания. Этот ток изменяется ли­нейно и используется для создания прямого хода развертки. Момент t3, когда ток через катушку L0.K становится равным нулю, должен совпадать с нача­лом следующего цикла.

После закрывания тринистора VS1 конденсатор C1 вновь резонансно заря­жается через дроссель L3 (интервал t2 — t3), и к концу прямого хода (момент t3) напряжение на нем снова будет приблизительно равно 2UПИТ. В момент t3 на гринистор подается следующий включающий импульс, и цикл повторяется.



Рис. 51. Упрощенная схема выходного каскада строчной развертки на трини-сторе (а) и временные диаграммы, поясняющие работу каскада (б) (iт — ток через первичную обмотку трансформатора и тринистор; ta.s. — время прямого хода развертки)



Время включения тринистора должно быть примерно на порядок меньше продолжительности обратного хода развертки tО.х, т. е. tу.вкл< (0,1 ... 0,2)t0.т, а его напряжение в закрытом состоянии Uзс>2UПит.

С описанием схемы строчной развертки на тринисторах современных про­мышленных телевизоров читатель может познакомиться в [6].

 

19. Мультивибраторы и триггеры

 

Мультивибраторы. Схемы мультивибраторов на динисторах очень про­сты: в них используется только один коммутирующий конденсатор. Последний заряжается через открытый динистор во время одного из состояний мультивибратора, а затем напряжение на конденсаторе используется для выключе­ния открытого динистора, когда включается второй, ранее закрытый динистор. После этого мультивибратор переходит во второе состояние.

На рис. 52,а приведена схема самовозбуждающегося мультивибратора, а на рис. 52,6 показаны временные диаграммы его работы. Динисторы для этой схемы выбираются такими, чтобы для каждого из них выполнялось условие

Uпит>Uпрк.

Рассмотрим работу мультивибратора. При подаче напряжения питания Uпит (момент t0) один из динисторов мультивибратора из-за разброса напря­жения иирк первым переключится в открытое состояние. Предположим, что первым переключится динистор KS, (рис. 52,6). Тогда коммутирующий кон­денсатор Ci начнет заряжаться и зарядный ток, проходя через резистор R1, снизит анодное напряжение на динисторе V52, препятствуя тем самым отпира­нию этого динистора вслед за первым. По мере заряда конденсатора напря­жение и2 на аноде динистора VS2 возрастает, и когда оно достигнет напря­жения UПрк2 динистора VS2, последний переключится в открытое состояние (момент ti). К динистору VS1 будет приложено обратное напряжение, равное Uпрк2, так как напряжение на конденсаторе С1 за время открывания динисто­ра VS2 практически не изменится. Динистор VS1 при этом выключится и муль­тивибратор ивменит свое состояние, которое опять-таки будет неустойчивым. Конденсатор С1 будет перезаряжаться через резистор R1 и открытый динистор VS2, напряжение на аноде динистора VS1 за счет падения напряжения на RI снизится, и этот динистор будет оставаться в закрытом состоянии.


Когда на­ пряжение на конденсаторе станет равным UПрк1 динистора V51( последний переключится в открытое состояние (момент t2), что приведет к выключению динистора VS2. Затем цикл переключений повторяется.

При одинаковых плечах (R1 = R2=R и Uпрк1=Uпрк2=Uпрк) получается симметричный мультивибратор и выходное напряжение (и1 или и2) имеет фор­му, показанную на рис. 52,6. В этом случае выходные импульсы напряжения будут иметь примерно одинаковую длительность (T1=T2) и амплитуду.



Рис. 52. Мультивибраторы на динисторах:

а — схема самовозбуждающегося мультивибратора; б — диаграмма работы самовозбуждаю-Щегося мультивибратора; в — схема ждущего мультивибратора; г — диаграмма работы жду­щего мультивибратора

Для самовозбуждения мультивибратора необходимо, чтобы выполнялись условия

Uпит> Uпрк ,

(Uпит-UпРк)/R>Iуд,

где Iуд — удерживающий ток динисторов.

Кроме того, сопротивление анодных резисторов должно быть таким, чтобы среднее значение тока в каждом плече не превышало значение тока динистора в открытом состоянии, т. е. R>Unит/2Ioc.

Емкость коммутирующего конденсатора Ci рассчитывается по формуле (в микрофарадах)



где tвыкл — время выключения динистора, мкс.

Длительность выходных импульсов определяется по формуле



Период колебаний мультивибратора Т = т1 + т2.

Схема ждущего мультивибратора (спусковое устройство с одним устойчи­вым состоянием) приведена на рис. 52,в. Для этой схемы динисторы выбира­ются такими, чтобы для одного из них (например, для VSi) напряжение источ­ника питания Uпит было больше, а для другого (например, VS2) меньше на­пряжения переключения, т. е. UПрк2>Uпит>Uпрк1. Кроме того, сопротивление анодного резистора динистора с меньшим напряжением переключения должна обеспечивать прохождение тока больше удерживающего тока этого динистора.

После подачи напряжения питания динистор VS1 переключится в открытое состояние (Uпит>Uпрк1), а конденсатор С1 зарядится до напряжения Uc1=Uпит. Мультивибратор будет оставаться в таком состоянии (поскольку Uпит/R1>Iуд1) до тех пор, пока внешним переключающим импульсом Uвх.и не будет открыт динистор VS2 (момент t1 на рис. 52,г).


Напряжением коммутирующего конденсатора динистор VSi при этом выключится, и конденсатор С-начнет перезаряжаться через резистор Rt, открытый динистор VS2 и обычный диод VDi, пока напряжение на нем не станет равным Uci — UUpKi. В этот мо­мент (t2) откроется динистор VS1, а динистор VS2 выключится и мультивибра­тор возвратится в исходное устойчивое состояние.

Время, в течение которого мультивибратор находится в неустойчивом со­стоянии, т. е. длительность выходного импульса, определяется формулой



После окончания импульса начинается стадия восстановления мультивиб­ратора, которая зависит от продолжительности заряда конденсатора С{ через резистор R2: тв = 3R2C1.

Таким образом, период повторения входных переключающих импульсов должен быть не меньше суммы T1 + TB.

Форма выходных импульсов показана на рис. 52,г. Как видно из рис. 52,г. динистор VS1 большую часть времени открыт и закрывается только на время T1 генерации выходного импульса. Поэтому сопротивление резистора R: долж­но также соответствовать условию R1>UПит/Iос1, где Ioci — средний ток ди­нистора VS1 в открытом состоянии. Сопротивление резистора R2 должно быть в 10... 20 раз меньше сопротивления динистора VS2 в закрытом состоянии. Кроме того, R2 влияет на время восстановления мультивибратора, и для со­кращения времени тв сопротивление R2 желательно уменьшать. Минимальное значение R2 ограничивается импульсным током Iос.п2 динистора VS2, т. е. R2>Uпит/Iос.п2. Емкость коммутирующего конденсатора С1 определяется по формуле (в микрофарадах)



где tвыкл — время выключения динистора, мкс.

Ждущие мультивибраторы могут быть выполнены и на одном приборе — динисторе или тринисторе. На рис. 53,а представлена схема спускового устрой­ства с одним устойчивым состоянием — ждущего генератора прямоугольных импульсов. Длительность выходных импульсов определяется параметрами по­следовательного резонансного контура LC, который также используется для вы­ключения тринистора.



Рис. 53.


Схема ждущего генератора прямоугольных импульсов на тринисторе (а) и временные диаграммы работы генератора (б)

Работу генератора удобно проследить по графикам рис. 53,6. При закры­том тринисторе VS1 конденсатор C1 заряжается через катушку индуктивности L1 и нагрузочное сопротивление Rн практически до напряжения UПит (поляр­ность напряжения на конденсаторе указана на рисунке без скобок). В таком устойчивом состоянии генератор остается до тех пор, пока не будет включен тринистор VS]. После включения тринистора внешним (входным) импульсом, длительность которого должна быть меньше длительности генерируемого (вы­ходного) импульса, через нагрузку RH и прибор начинает проходить ток Iн, равный Uпит/Rн (момент t1, рис. 53,6). Одновременно возникает ток iк в цепи: последовательный контур L1C1 — тринистор VS1, обусловленный колебатель­ным перезарядом конденсатора через катушку индуктивности и открытый три­нистор. Этот ток имеет синусоидальную форму и амплитуду, равную Uпит/р, где — волновое сопротивление контура. Через четверть периода собст­венных колебаний ток iK достигнет амплитудного значения, а напряжение на конденсаторе станет равным нулю (момент t2). Затем кон­денсатор начинает перезаряжаться, и в конце полупериода собственных колеба­ний контура полярность напряжения на конденсаторе изменится на обратную (указана на рисунке в скобках), а ток станет равным нулю (момент t3). В следующий полупериод собственных колебаний ток в цепи изменяет направле­ние и поэтому начинает протекать через открытый тринистор навстречу току нагрузки. Результирующий ток через тринистор по мере нарастания синусои­дального тока перезаряда конденсатора уменьшается, и, когда он станет мень­ше удерживающего тока, прибор выключится. Для надежного выключения три-нистора амплитуда синусоидального тока IКт = Uпит/р должна по крайней ме­ре в два раза превышать ток нагрузки Iн = Uпит/Rн. Остаточное отрицательное напряжение на конденсаторе уменьшает время восстановления закрытого со­стояния тринистора после прекращения анодного тока.


После закрывания три- нистора сопротивление нагрузки оказывается включенным последовательно с контуром, и если RH>2p, то контур будет демпфирован и колебательный про­цесс прекратится. Рассмотренный способ выключения тринистора представляет собой один из методов выключения посредством принудительной коммутации. Расчет элементов генератора для получения импульсов длительностью т можно произвести по формулам



При таких значениях L1 и С1 длительность спада импульса получается около (0,2 ... 0,3) т. Длительность фронта импульса определяется тринистором и не превышает 1 ... 2 мкс. Минимальная длительность выходных импульсов Tmin не может быть меньше времени включения тринистора по управляющему элек­троду, т. е. Tmin >tу. вкл.

Диод VDi не является обязательным элементом генератора, однако его включение параллельно контуру практически устраняет положительный выброс в конце выходного импульса. Действительно, при отсутствии диода VD1 после закрывания тринистора ток перезаряда конденсатора контура какое-то время протекает через сопротивление нагрузки, напряжение на ней возрастает и на срезе выходного импульса появляется выброс. При подключении диода ток контура проходит через него, пока не спадает до нуля.

Триггеры. Спусковые устройства с двумя устойчивыми состояниями — триг­геры могут выполняться на динисторах (рис. 54,а) или на тринисторах (рис, 54,6). Оба триггера имеют один вход для подачи внешних переключающих им­пульсов. После включения напряжения питания динисторы и тринисторы триг­геров должны оставаться надежно закрытыми. Для триггера (рис. 54,а) это обеспечивается выбором типа динисторов по условию Uпрк>Uпит, а для триг­гера рис. 54,6 амплитуда зарядного тока конденсаторов С2 и С3 в первый мо­мент после включения напряжения UПит не должна превышать значение неот­пирающего тока управления тринисторов, т. е. Uпит/(R2+R4) <Iу.нот1 и Uпит/(R1+R3)<Iу.нот2, где Iу.нот1 и IУ.нот2 — значения неотпирающего тока тринисторов VS1 и VS2 соответственно.


Сопротивления анодных резисторов R1 и R2 каждой схемы должны обеспечивать выполнение условия (3) , т. е. Uпит/R1>Iудк и Uпит/R2>Iуд2, и, кроме того, быть по крайней мере в 10... 20 раз меньше сопротивления динисторов (тринисторов) в закрытом состоянии. При закрытых динисторах (тринисторах) напряжения на их анодах, а следо­вательно, и обратное напряжение на диодах VDi и VD2 примерно равны UПит, а коммутирующие конденсаторы С1 триггеров не заряжены.



Рис. 54. Схемы триггеров на динисторах (а) и тринисторах (б)

Перед началом работы каждый триггер необходимо установить в исход­ное состояние, при котором одно из плеч проводит, а другое — нет. В тригге­ре (рис. 54,а) для этого обычно подается специальный импульс UуСT начальной установки, открывающий один из динисторов (например, VSi). Триггер пере­ключится в первое устойчивое состояние, а конденсатор Ci через сопротивле­ние нагрузки R2, динистор VSi и диод VD3 зарядится до напряжения Uc1=Uпит. Обратное напряжение на диоде VD2 резко уменьшится и станет равным падению напряжения на динисторе VSl и на диоде VD3, которые включе­ны в прямом направлении, в то же время на диоде VDi обратное смещение со­хранится прежним.

В этом состоянии триггер будет находиться, пока на его вход не поступит первый переключающий импульс UВх.и, который через диод VD2 лройдет на катод динистора VS2 и переключит последний в открытое состояние. Динистор VSi за счет напряжения на коммутирующем конденсаторе С( закроется. Триг­гер перейдет во второе устойчивое состояние, при котором полярность напря­жения на обкладках конденсатора Ci изменится, обратное смещение на диоде VD2 увеличится, а на VDi уменьшится. Второй входной импульс откроет ди-нистор VSi и вернет триггер в первое устойчивое состояние. Таким образом, смена состояний триггера будет происходить при подаче на вход каждого им­пульса, амплитуда которого UВх.и должна удовлетворять условию

Uпит> Uвх.и >U от. и.

Длительность входных импульсов должна быть мала по сравнению с по­стоянной времени RlCl (и R2Ci), чтобы не оказывать влияние на длительность выходных импульсов.



Режим работы симметричного триггера (Ri = R2=R, a VS{ и VS2 — дини- сторы одного типа) должен соответствовать условиям

UПРК.>UПИТ,

UПИТ/R>Iуд,

при выполнении которых нагрузочная прямая пересекает все три участка вольт-амперной характеристики динистора (рис. 6,6). Точки на участках 1 к 3 вольт-амперной характеристики определяют устойчивые состояния триггера, а на участке 2 — неустойчивое.

В триггере на тринисторах (рис 54,6) исходное состояние устанавливается при кратковременном нажатии кнопки S1, отпирающей прибор VS1. Триггер переключается в первое устойчивое состояние, при котором прибор VS1 от­крыт, a VS2 закрыт. Первый входной импульс проходит через диод VD2 и от­крывает тринистор VS2, при этом тринистор VS1 выключается напряжением коммутирующего конденсатора С1 и триггер переходит во второе устойчивое со­стояние и т. д. Смена состояния триггера происходит с приходом каждого вход­ного импульса, амплитуда которого Uвх.и должна быть UПИТ>Uвх.и>Uос и, кроме того, удовлетворять условию UВх.и>Uу.от.и. Сопротивление резистора R7 рассчитывается по формуле (8), а емкости коммутирующих конденсаторов обеих схем определяются по формуле (18).

Диоды VD1 и VD2 и резисторы R3 и R4 (в каждой схеме) предотвращают шунтирование источника входного сигнала проводящим плечом триггера и, кроме того, обеспечивают прохождение входного сигнала только на закрытое плечо триггера. Сопротивления резисторов R3 и R4 обычно одинаковы и долж­ны быть не менее нескольких десятков килоом. Диоды VD1 и VD2 должны иметь обратное напряжение не менее напряжения источника питания UПит.

Выходные импульсы триггеров, амплитуда которых примерно равна Uпит, снимаются с анодов динисторов (тринисторов). Рассмотренные схемы тригге­ров широко используются в счетных и запоминающих ячейках и в других устройствах.

20. Генераторы импульсов специальной формы

Наряду с рассмотренными схемами релаксационных генераторов с по­мощью динисторов и тринисторов можно создавать различные устройства, фор­мирующие импульсные напряжения и токи специальной формы.



Генератор ступенчатого напряжения. На рис. 55,а показана схема генера­тора на динисторах, выходное напряжение которого имеет ступенчатую форму (рис. 55,6). Напряжение такой формы используется в различных счетных уст­ройствах. Напряжение источника питания Uпит генератора выбирают примерно в 1,5 — 2 раза больше суммы напряжений переключения Uпрк1 + UПрк2 обоих его динисторов VS1 и VS2. Емкость конденсатора Ci (например 0.01... 0,05 мкФ) должна быть примерно на порядок меньше емкости конденсатора С2 (напри­мер, 0,2 ...0,5 мкФ).



Рис. 55. Схема генератора ступенчатого напряжения на динисторах (а) и фор­ма выходного напряжения (б)

Генератор работает следующим образом. При замыкании выключателя QI все напряжение источника питания Uпит оказывается приложенным к дини-стору VS1 (конденсаторы С1 и С2 не заряжены, и в момент сразу после ком­мутации напряжение на них останется равным нулю). Поскольку условие Uпит>Uпрк1 выполняется с запасом, динистор VS1 откроется и включенныг последовательно с ним конденсаторы С1 и С2 начнут заряжаться (цепь заряда конденсаторов показана на схеме сплошной линией). По мере заряда конден­саторов ток через динистор VS1 будет уменьшаться, и, когда он станет мень­ше удерживающего тока, динистор выключится. К концу зарядного интервала напряжение и1 на конденсаторе С1 будет существенно больше напряжения и2 на конденсаторе С2, так как С2>С1, а как известно, u1/u2 = C2/C1. При закры­том динисторе VS2 конденсатор С2 почти не разряжается (цепь разряда кон­денсаторов показана на схеме штриховой линией) и напряжение на нем прак­тически не изменяется. В то же время конденсатор С1 разряжается через ре­зистор R1, напряжение и1 на нем уменьшается, а напряжение иД1 на динисторе VS1, равное uД1 = UПит — u1 — u2, возрастает, и, когда это напряжение достигает значения UПРК1, динистор VS1 вновь открывается. Затем цикл повторяется.

В результате таких следующих один за другим циклов напряжение на кон­денсаторе С2 ступенчато возрастает до напряжения переключения UПРк2 дини­стора VS2. При открывании динистора VS2 конденсатор С2 разряжается, фор­мирование ступенчатого сигнала прекращается и генератор возвращается в исходное состояние.



Сопротивление резистора R1 определяет время разряда конденсатора Ci и, следовательно, длительность каждой ступеньки. Если это сопротивление зна­чительно больше сопротивления, через которое происходит заряд конденсаторов C1 и С2 (т. е. внутреннего сопротивления открытого динистора VSi), то фронт ступеньки получается во много раз короче ее длительности. Резистор R2 ограничивает ток разряда конденсатора С2 до безопасного для динистора VS2 значения. Сопротивление внешней нагрузки должно быть до­статочно большим (единицы мегаом), чтобы предотвратить заметную утечку заряда с конденсатора С2 в процессе построения ступенчатого сигнала.

Амплитуда каждой ступеньки ДUВЫх выходного сигнала определяется вы­ражением



а максимальное число ступенек



Генераторы мощных импульсов треугольной формы. На рис. 56 приведены две схемы генераторов, питающихся от сети переменного тока и формирующих импульсы, синхронные с частотой сети. В обоих генераторах используется прин­цип формирования мощных коротких импульсов, форма которых близка к тре­угольной, путем разряда предварительно заряженного конденсатора Ci через первичную обмотку выходного трансформатора, т. е. получение мощных им­пульсов с помощью накопителя энергии. При использовании повышающего вы­ходного трансформатора на его вторичной обмотке можно получать импульсы высокого напряжения, а при понижающем трансформаторе — мощные импульсы тока.

Генератор (рис. 56,а) может подключаться к питающей сети непосредст­венно, а генератор (рис 56,6) — через трансформатор с двумя вторичными об­мотками.



Рис. 56. Генераторы мощных треугольных импульсов:

а — схема генератора с тринистором и динистором; б — схема генератора с тринистором

После включения генератор (рис. 56,а) работает следующим образом. В тот полупериод напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) про­вод питания, конденсатор C1 заряжается через диод VD1 и резистор R1 до амплитудного значения напряжения сети. В отрицательный полупериод заряжается конденсатор С2 через диоды VD2 и VD3 и резистор R2 (полярность напряжения на С2 показана на схеме).


Когда напряжение на С2 становится равным напря­жению переключения динистора VS2, т. е. uс2>Uпрк, динистор открывается и разрядный ток конденсатора С2, протекая через цепь управления тринистора VS1, открывает его. Конденсатор C1 разряжается через тринистор VSi и пер­вичную обмотку трансформатора Т1, со вторичной обмотки которого импульс подается на нагрузку. После разряда С1 тринистор выключается, а в следую­щий положительный полупериод конденсатор Ci вновь заряжается, и цикл повторяется. Таким образом, генератор срабатывает при каждом отрицательном полупериоде напряжения сети и частота следования выходных импульсов равна частоте сети.

Задержка выходных импульсов относительно начала отрицательного полу­периода зависит от сопротивления резистора R2. Если сопротивление резистора R2 увеличить настолько, чтобы конденсатор С2 заряжался до напряжения UПрк динистора не за один, а за несколько отрицательных полупериодов, то частота выходных импульсов будет меньше частоты питающей сети.

Емкость конденсатора C1 определяет мощность и длительность выходных импульсов, ее типовое значение около 1 мкФ. Емкость конденсатора С2 выби­рается примерно на порядок меньше емкости С1, т. е. С1/С2>10.

Напряжение Uпрк динистора должно отвечать условию Uпрк>Uу.от+Iу.отR4, где Uу.от и Iу.от — отпирающие напряжение и ток управления три­нистора.

Работу генератора (рис. 56,6) удобно начать рассматривать с момента вре­мени, соответствующего полупериоду переменного напряжения сети, когда на­пряжение на обмотках II и III трансформатора Т1 имеет полярность, показан­ную на рисунке. При такой полярности напряжения на обмотках диод VD, оказывается в проводящем состоянии и накопительный конденсатор Ci заряжа­ется до амплитудного значения напряжения на обмотке II (полярность напря­жения на конденсаторе С1 обозначена на схеме). В то же время в течение это го полупериода диод VD2 закрыт и тринистор VSi также остается закрытым. При смене полярности напряжения на обмотках в следующий полупериод на­пряжения сети диод VDi закрывается, а диод VD2 оказывается в проводящем состоянии.


При этом напряжение с обмотки III подается на управляющий элек­трод тринистора VSi, и он отпирается, в результате чего конденсатор Ct раз­ряжается через первичную обмотку выходного трансформатора Т2 и открытый тринистор. В следующий полупериод вновь происходит смена состояний дио­дов VDi и VD2, и процессы повторяются. Таким образом, генератор формиру­ет импульсы, частота следования которых равна частоте сети и не регулиру­ется.

Напряжение на обмотке III трансформатора Т1 должно обеспечивать вклю­чение тринистора в начале полупериода, для чего на этой обмотке необходимо иметь переменное напряжение с амплитудой 40 ... 60 В. При этом тринистор от­пирается в моменты времени, когда крутизна синусоидального напряжения на обмотке достаточно большая, и поэтому стабильность угла отпирания, кото­рая определяет стабильность частоты следования выходных импульсов, оказы­вается высокой.

Резистор R2 служит для ограничения тока управляющего электрода, a Rt ограничивает ток заряда конденсатора C1.

Мощный генератор прямоугольных импульсов. Хорошие ключевые свойства тринисторов позволяют с успехом использовать их в генераторах мощных им­пульсов, форма которых приближается к прямоугольной. Работа таких уст­ройств основана на принципе накопления энергии (см. § 18). Они могут ис­пользоваться в качестве импульсных модуляторов генераторов высокой часто­ты, в квантовой технике и т. д.

Схема ждущего генератора мощных прямоугольных импульсов приведена на рис. 57. По существу, эта схема представляет собой разновидность генера­тора рис. 49, в котором зарядный резистор заменен дросселем L3 и диодом VD1, а конденсатор — искусственной линией Z из LC-звеньев, служащей для формирования импульса необходимой длительности и формы.

Работа генератора складывается из двух циклов: зарядного и разрядного.

В паузах между импульсами, когда тринистор VS1 закрыт, конденсаторы линии заряжаются от источника постоянного напряжения Uпит через дроссель L3 и диод VD1. Использование в зарядной цепи дросселя позволяет получать резонансный заряд конденсаторов линии, поэтому в конце зарядного цикла напряжение на конденсаторах линии Uл max примерно равно 2UПИт.


Таким об­разом, роль накопителя энергии здесь выполняют конденсаторы искусственной линии. Включение в зарядную цепь диода VD1 препятствует разряду конденса­торов линии и позволяет сохранить напряжение Uл max на них до прихода уп равляющего импульса на тринистор.

Разрядный цикл начинается при подаче управляющего импульса на трини­стор VS1. Тринистор включается, и линия формирования разряжается через-тринистор на сопротивлении нагрузки RH, которое должно быть равно волно­вому сопротивлению линии рл, т. е. Rн=рл. На нагрузке формируется импульс, длительность которого ти определяется параметрами линии, а амплитуд» UBЫХ.И = 0,5Uл mах~Uпит. Во время разряда линии через тринистор проходит импульс тока с амплитудой Iи = Uл mах/(Rн + рл) = Uвых.иАRн.

Тринистор остается открытым в течение времени ти, пока происходит разряд линии. При этом через тринистор, кроме разрядного тока линии, протекает ток от источника Uпит через дроссель L3 и диод VD1. Чтобы тринистор выключился, когда линия полностью разрядится, ток, протекающий через него от источника, питания, за время ти не должен успеть возрасти до значения Iуд. Это выпол­няется, если индуктивность зарядного дросселя L3 удовлетворяет условию

L3 > ти UПИТ/IУД.



Рис. 57. Схема ждущего генератора мощных прямоугольных импульсов;

Элементы схемы генератора при заданных параметрах выходного импульса (длительности ти, частоте повторения F и амплитуде Uвых.и) и известном со­противлении нагрузки Rн рассчитываются по следующим формулам.

Суммарная емкость линии

Сл = тн/2 Rn.

Суммарная индуктивность линии

Lл = ти Rн/2.

Индуктивность зарядного дросселя

L3<1/п2F2Сл.

Емкость и индуктивность одной ячейки линии

C' = Culk; L' = Lnlk,

где k — число ячеек линии. Чем больше k, тем лучше форма выходного импуль­са приближается к прямоугольной, обычно выбирают k>4 ... 6.

Напряжение источника питания UПИТ= (1,15 ...1.2) UВЫХ.И.

Обычно искусственные линии имеют волновые сопротивления рл = =|/ LЛ/СЛ, равные нескольким десяткам ом (рл = 10... 80 Ом).


Поэтому для согласования сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением линии часто используется повышающий импульсный трансформатор, первичная обмотка ко­торого включается вместо сопротивления нагрузки. Если коэффициент транс­формации равен n, то сопротивление нагрузки RH, подключенной ко вторичной обмотке и пересчитанное в первичную обмотку трансформатора, окажется

R'н = Rн/n2.

При использовании трансформатора условием согласования волнового со­противления искусственной линии и сопротивления нагрузки будет равенство рл = R'н. Применение повышающего импульсного трансформатора позволяет по­лучить напряжение на нагрузке большее, чем напряжение источника питания генератора.

Тринистор для генератора выбирается таким, чтобы его анодное напряже­ние было Uзс>2Uпит, импульсный ток Iос.п>Iи, а средний ток Iос>IиFТи.

Длительность внешних управляющих импульсов тВх.и должна быть Твх.и>tу.вкл, где tу.вкл — время включения тринистора.

 

21. Счетчики импульсов

Динисторы и тринисторы нашли широкое применение в различных счетных устройствах, обладающих рядом существенных преимуществ по срав­нению с транзисторными. Тиристорные счетчики более стабильны в работе при изменении напряжения питания и температуры, в них используется меньшее количество элементов, и они имеют большую надежность. Кроме того, большой коэффициент усиления по мощности тринисторов позволяет включать нагрузку (сигнальные лампы, цифровые индикаторы, электромагнитные реле и т. д.) не­посредственно в цепь счетчика.



Рис. 58. Схема кольцевого счетчика импульсов на тринисторах с установкой ис­ходного состояния с помощью кнопки

Различные варианты схем счетчиков используют способность приборов ра­ботать в триггерном (бистабильном) режиме. На рис. 58 приведена одна из воз­можных схем трехкаскадного кольцевого счетчика на тринисторах. Счетчик последовательно переключает нагрузки при поступлении на вход очередного импульса. Продолжительность работы каждой нагрузки определяется времен­ным интервалом между подаваемыми входными импульсами.


Параллельно на­ грузкам могут быть подключены неоновые лампы, позволяющие визуально кон­тролировать работу счетчика.

После включения напряжения питания UПит тринисторы VS1 — VS3 остаются закрытыми, нагрузки Rн1 — Rн3 обесточены. Обратное смещение на диодах VD1 — VD3 практически равно напряжению источника питания UПИT. Для установ­ки счетчика в исходное состояние следует кратковременно нажать кнопку 5Ь. при этом откроется тринистор VS1 и включится нагрузка RH1. Обратное напря­жение на диоде VD2 станет равным Uoc1, т. е. падению напряжения на от­крытом тринисторе VS1, а на диодах VD1 и VD3 сохранится прежним, равным; Uпит. Коммутирующий конденсатор С1, подключенный к аноду тринистора KS1, через сопротивление нагрузки Rн2 и открытый прибор VS1 зарядится до напря­жения UС1=Uпит.

Первый входной переключающий импульс, амплитуда Uвх.и которого дол­жна быть Uвх.и>Uу.от.и и, кроме того, удовлетворять условию Uпит>UВх.и>Uос1, проходит только через диод VD2 и открывает тринистор VS2. Напряже­нием коммутирующего конденсатора C1 тринистор VS1 выключится. Нагрузка Rн1 отключится от источника питания, к которому теперь подключится на­грузка Rн2. Обратное смещение на диоде VD3 уменьшится и станет равным UOC2, а на диодах VD1 и VD2 — равным UПит.

Следующий входной импульс пройдет теперь через диод VD3, откроет три­нистор VS3 и подключит к источнику питания нагрузку Rн3. Напряжением ком­мутирующего конденсатора С2 тринистор VS2 выключится и нагрузка RB2 обес­точится. Таким образом, последовательно подаваемые входные импульсы будут переключать нагрузки в таком порядке: RH1 — RH2 — RH3 — RHI — RH2 — RH3 и т. д, Число счетных ячеек не ограничивается тремя и может быть в принципе вы-брано любым.

Прямое напряжение тринисторов в закрытом состоянии должно удовлетво­рять условию (2), а ток каждой нагрузки (т. е. анодный ток тринисторов) — требованию (5). Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле (8), а коммутирующие конденсаторы (Ci — С3) — по формуле (18).


Сопротивления резисторов R2 — R4 выбираются в пределах нескольких десятков килоом, чтобы свести к минимуму дополнительную нагрузку на источник входных импульсов. Емкость конденсаторов С4 — С6 выбирается в пределах 0,01 ... 0,1 мкФ. Диоды VD1 — VD3 должны пропускать относительно небольшой ток, равный импульс­ному току Iу.от.и управления тринистора, и иметь обратное напряжение

Uобр>Uпит.

Широкое применение в аппаратуре отображения информации, счетных уст­ройствах и измерительных приборах находят цифровые газоразрядные индика­торные лампы тлеющего разряда (серии ИН), у которых электроды внутри стеклянного баллона выполнены в виде цифр от 0 до 9.

Используя тринисторы с высоким прямым напряжением (не менее 200 В), можно создавать устройства, где электроды газоразрядных промежутков циф­рового индикатора включаются непосредственно в анодные цепи тринисторов и при отпирании одного из них начинается свечение соответствующей цифры.

На рис. 59 представлена схема десятичного кольцевого счетчика на три-нисторах с цифровым газоразрядным индикатором HG1. Тринисторы VSQ — VSg с соответствующими элементами составляют десять счетных ячеек. Тринистор VS10 выполняет вспомогательную роль и предназначен для выключения три-нистора VS9. Тринисторы VS0 — VS9 включаются последовательно с разрядными промежутками индикатора HG1. Если тринистор закрыт, то соответствующая адфра не горит, так как в этом случае приложенное к лампе напряжение не­достаточно для возникновения разряда.



Рис. 59. Схема кольцевого счетчика импульсов на тринисторах с цифровым га­зоразрядным индикатором

Исходное состояние счетчика устанавливается автоматически: после подачи напряжения источника питания UПит через резисторы Rь R2 и цепь управля­ющего электрода тринистора VS0 начинает протекать ток, отпирающий этот прибор, и соответствующий разрядный промежуток лампы оказывается под на­пряжением UПИТ; на индикаторной лампе загорается цифра «О» (нулевой раз­ряд). Остальные тринисторы в исходном состоянии закрыты.


Коммутирующий конденсатор С, заряжается практически до напряжения источника питания UС1=Uпит. При открытом тринисторе VS0 диод VD0 шунтирует цепь управ­ления этого прибора; ток управляющего электрода резко уменьшается и становится меньше значения Iу.нот. Кроме того, при открытом тринисторе VS1 обратное напряжение на диоде VD10 становится равным напряжению Uoc три­нистора VSo, в то время как обратное напряжение на диодах VD11 — VD20 рав­но напряжению источника питания UПит.

Первый импульс, поступающий на вход устройства, сможет пройти только через диод VD10, если его амплитуда UВх.и удовлетворяет условию

Uпит>Uвх.и>Uос.

Этот импульс откроет тринистор VS1, который с помощью коммутирующего конденсатора С1 выключит тринистор VSo. На индикаторной лампе цифра «О» гаснет и загорается цифра «1» (первый разряд). После отпирания тиристора VS1 цепь управляющего электрода прибора VS0 по-прежнему остается зашун-тированной, но теперь уже диодом VD1, и, следовательно, тринистор VS0 не может быть открыт током, протекающим через резисторы RI и R2. Обратное напряжение на диоде VD11 уменьшится до значения Uoc тринистора VS1, а на диодах VD10, VD12 — VD2o оно будет равно напряжению UНИт.

Каждый поступающий счетный импульс (до девятого включительно) точно таким же образом переключает очередные разряды счетчика: выключает про­водящий тринистор и включает следующий за ним закрытый. Переключаемые тринисторы коммутируют соответствующие электроды газоразрядной лампы. При этом тринистор VS0 остается закрытым, так как его цепь управления все время шунтируется одним из диодов VDo — VD9, соответствующим открытому тринистору.

При поступлении десятого импульса включается тринистор У5ю. В анодной цепи этого прибора нет диода, шунтирующего резистор R2, и поэтому при его отпирании не только выключается тринистор VS9, но и вновь открывается три­нистор нулевого разряда VS0 и загорается цифра «О» на индикаторной лампе Сопротивление анодного резистора R13 выбирается таким, чтобы выполнялось условие Uпит/R13<Iуд10, поэтому после переразряда коммутирующего конден­сатора Сю тринистор VS10 также закрывается.


Счетчик возвращается в исход­ное состояние.

Для устойчивой работы счетчика необходимо исключить возможность лож­ного включения тринистора нулевого разряда VS0. Хотя резистор R2 и шунти­руется одним из диодов VD0 — VD9, управляющий ток тринистора VS0 тем не менее не равен нулю. Значение этого тока IУ0 определяется напряжением И0г на аноде открытого тринистора, падением напряжения ия на проводящем диоде, который соответствует этому тринистору, и сопротивлением резистора R2, т. е.

Iь = (Uoс+Uд)/R2.

Из полученного соотношения, если учитывать, что ток Iуо должен быть IУо<IУ нот, определяется сопротивление резистора R2.

Суммарное сопротивление резисторов R1 + R2 рассчитывается по формуле (8), а емкости коммутирующих конденсаторов C1 — С10 по формуле (18). Дио­ды VD10~VD20 и резисторы R14 — R23 выбираются так же, как и в предыдущем устройстве. Прямое напряжение тринисторов в закрытом состоянии должно удовлетворять условию (2). Обычно ток горения Iг индикаторной лампы не превышает единиц миллиампер (определяется резистором .R24), поэтому сопро­тивления анодных резисторов R3 — R12, которые включены параллельно соответ­ствующим газоразрядным промежуткам лампы, должны обеспечивать ток в каждом из тринисторов VS0 — VS9 больше удерживающего тока; например, для тринистора VS1 должно выполняться неравенство

UПИТ/R4 + Iг > IУД1

Описание счетчика импульсов на динисторах читатель может найти, на­пример, в [5].

 

Глава 5

 

УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОВЫХ ЭФФЕКТОВ

 

22. Сигнальные и развлекательные источники света

Устройства, создающие различные световые эффекты, применяются в движущихся рекламах, декоративных установках, световых указателях, бы­товых развлекательных установках, для светового оформления новогодних елок и пр. В большинстве таких устройств ранее использовались электромеханические или электронные переключатели, создающие «мигающий» свет с различными ин­тервалами времени «включено» — «выключено». Для этих устройств тринисторы, пожалуй, являются самыми подходящими приборами.


По сравнению с электро­ механическими преимущества тринисторных переключателей проявляется в том, что последние могут работать в широком диапазоне токов и напряжений, обес­печивая при этом значително большую надежность и долговечность, поскольку нет механических контактов, коммутирующих сильноточные цепи. Кроме того, тринисторы способны выдерживать большие броски тока в момент включения .ламп накаливания, что позволяет включать лампы непосредственно в анодные цепи приборов.

В каждом устройстве, предназначенном для создания световых эффектов, может использоваться одна или несколько ламп, а также гирлянды, состав­ленные из последовательно соединенных однотипных ламп (например, при на­пряжении сети 220 В можно составить гирлянду из десяти ламп с напряже­нием 24 ...26 В).

Одна из простых схем переключателя показана на рис. 60. Переключатель питается переменным током и в зависимости от своего назначения может под­ключаться к сети через понижающий трансформатор или непосредственно. Устройство поочередно включает лампы накаливания, и в любой момент времени к источнику питания оказывается подключенной только одна лампа: HLl или HL2.

После подачи напряжения питания (выключателем Q1) и при отсутствии сигнала на управляющем электроде тринистора VS1 этот прибор остается за­крытым, а тринистор VS2 откроется и загорится лампа HL2. Тринистор VS2 проводит в те полупериоды напряжения, когда положителен верх­ний (по схеме) провод источника, при этом на аноде прибора VS2 и его управляющем электроде действует положительное напряжение. Значение уп­равляющего тока определяется сопротивлением резистора R{, которое рассчи­тывается по формуле (12), чтобы обеспечить включение тринистора VS2 в на­чале каждого положительного полупериода напряжения. Пока горит лампа HL2, через лампу HL1 протекает небольшой ток управления тринистора VS2r недостаточный для накала нити лампы, и она остается погашенной.



Рис. 60. Схема переключателя для поочередной коммутации двух источников света





Рис. 61. Схема устройства для создания «мигающего» света с одина­ковыми интервалами «включено» — «выключено»

В таком состоянии (лампа HL1 погашена, а лампа HL2 зажжена) устрой­ ство находится до тех пор, пока на управляющий электрод тринистора VSi не будет подан отпирающий сигнал длительностью не менее нескольких секунд. При этом тринистор VS1 во время очередного положительного полупериода напряжения включится и загорится лампа HL1. Одновременно управляющее на­пряжение, подаваемое на прибор VS2, снизится до значения U0c1, равного па­дению напряжения на тринисторе VSt. Условие Uoc1/R1<Iy.HoT выполняется с запасом, поэтому тринистор VS2 отпереться не сможет и лампа HL2 не заго­рится. Это состояние сохраняется, пока на тринистор VS1 подается управля­ющий сигнал. Если управляющий сигнал снять, то устройство возвратится в исходное состояние: тринистор VS1 закроется в конце очередного положитель­ного полупериода напряжения, лампа HL1 погаснет, а в следующий положитель­ный полупериод тринистор VS2 вновь откроется, включив лампу HL2. Таким образом, лампа HL2 включена, а лампа HL1 выключена, когда управляющий сигнал отсутствует, и наоборот, HL1 включена, a HL2 выключена при подаче этого сигнала. Через лампы и тринисторы протекает однополупериодный ток, поэтому тринисторы по току и напряжению должны выбираться, как и для выключателя рис. 24. Продолжительность интервала «включено» — «выключено» определяется длительностью внешнего сигнала, и устройство может быть использовано, например, в световых указателях типа «пуск» — «остановка», «вниз» — «вверх», «идите» — «стойте» и т. д.

В переключателях, питающихся постоянным током, для управления тринис-торами удобно использовать однопереходные транзисторы. При этом удает­ся весьма просто обеспечить широкий диапазон изменения частоты включения света при высокой стабильности интервалов «включено» — «выключено».

В устройстве (рис. 61), создающим мигающий» свет, используется ком­бинация однопереходного транзистора и двух тринисторов.


Лампа накаливания HLi включена в анодную цепь тринистора VS2. Тринистор VS1 предназначен для выключения тринистора VS2. Переключатель начинает работать сразу после подачи напряжения питания. Тринисторы VS1 и VS2 отпираются поочередно импульсами, вырабатываемыми релаксационным генератором на однопереход-ном транзисторе (см. § 8). Для правильной работы устройства должна соблю­даться строгая очередность открывания тринисторов. До прихода первого уп­равляющего импульса оба тринистора закрыты. Импульс с резистора R4 пода­ется одновременно в цепи управления обоих закрытых приборов, однако при этом первым должен включиться тринистор VS1. Достигается это с помощью диода VD2 и резистора R7. При закрытых тринисторах резистор R7 создает на диоде VD2 обратное напряжение, примерно равное UПИТ; следовательно, пер­вый импульс, амплитуда которого UR4<Uпит, на управляющий электрод три­нистора VS2 не проходит. После отпирания тринистора VSi через него и нить лампы HLi заряжается конденсатор С2 (полярность напряжения на нем указа­на на рисунке без скобок), а обратное напряжение на диоде VD2 резко умень­шается до значения, равного напряжению U0c1 на аноде тринистора VS1. Если амплитуда импульсов Uл4 соответствует условию UПит>UR4>Uос1, то второй импульс пройдет на управляющий электрод тринистора VS2 и откроет его. Тринистор VS2 включает лампу HL1 и напряжением коммутирующего конден­сатора С2 закрывает прибор VS1. Конденсатор С2 перезаряжается (полярность напряжения обозначена на рисунке в скобках), а на диод VD2 вновь подается обратное напряжение, равное Uпит. Очередной импульс снова отпирает три­нистор VSi, который, в свою очередь, закрывает прибор VS2, и лампа HL1 гаснет. С приходом следующих импульсов цикл повторяется. Очевидно, что устройство обеспечивает работу лампы с одинаковыми интервалами «включе­но» — «выключено».

Продолжительность каждого интервала равна периоду следования импуль­сов генератора (14) и может регулироваться резистором R2. Генератор управ­ляющих импульсов рассчитывается по формулам (13) — (16).


Резистор R$ увели­ чивает входное сопротивление цепи управления тринистора ]Л5Ь когда послед­ний находится в открытом состоянии. Сопротивление резистора RQ должно обес-спечивать выполнение условия (3).

Устройство, схема которого приведена на рис. 62, воспроизводит эффект пламени свечи. К нему можно подключить обычную лампу накаливания или елочную гирлянду, при этом получается «мерцающий» свет, напоминающий свет свечи.



Рис. 62. Схема устройства, создающего эффект мерцающего света

Принцип работы устройства основан на способе питания нагрузки (лампы) в отрицательный и положительный полупериоды напряжения сети. Когда по­лярность напряжения такова, что отрицателен верхний (по схеме) провод, ток, имеющий форму полусинусоиды, протекает через диод VDs и лампу HL1 толь­ко в течение отрицательных полупериодов. При смене полярности напряжения питания (в положительные полупериоды) ток через лампу может проходить только в те полупериоды (или часть их), когда открыт тринистор VSi. Трини-етор управляется тремя релаксационными генераторами на однопереходных транзисторах VTl — VT3 (см. § 8), которые работают на немного отличающихся частотах, так что ТГ1<ТГ2<ТГЗ, где ТГ1:, ТГ2, ТГ3 — периоды следования импуль­сов генераторов на транзисторах VTlt VT2, VTZ соответственно. Период следо­вания импульсов каждого релаксационного генератора определяется соответ­ствующей цепью (14): R1C1 - для генератора на VT}, R2C2 — для генератора на VT2 и R3С3 — для генератора на VT3. Постоянные времени этих цепей дол­жны находиться в соотношении R1C1<R2C2<R3C3 и быть достаточно большими-примерно в 20... 30 раз превышать период напряжения сети, т. е. составлять 0,4 ... 0,6 с. После включения напряжения питания конденсаторы С1 — С3 через диод VD1 и соответствующие резисторы в течение положительных полуперио­дов напряжения сети начинают заряжаться. Напряжения на конденсаторах ис1 — uc3, а следовательно, и на эмиттерах однопереходных транзисторов от пе­риода к периоду постепенно нарастают, причем uС1>uс2>uс3.


Через некото­ рое число периодов напряжение uci на эмиттере VT, первым достигнет значения uс1 = UЭвкл1, транзистор VT, откроется, конденсатор Ci разрядится через цепь эмиттер — база 7 и импульсом, снимаемым с резистора R6, включится три­нистор VS{. Это может произойти в любой части положительного полупери­ода, и поэтому ток через лампу и тринистор в общем случае представляет собой часть полусинусоиды. При смене полярности питающего напряжения три­нистор закрывается, а в следующие положительные полупериоды конденсатор С, начинает вновь заряжаться. Затем через несколько периодов напряжение на конденсаторе С2 станет равным «С2 — UЭзкл2 и включится транзистор VT2. ко­торый вновь откроет тринистор VSi. Еще через некоторое число периодов ана­логично включится однопереходный транзистор VT3 и тринистор снова откро­ется.

Процесс срабатывания в определенной последовательности релаксационных генераторов и открывания тринистора во время положительных полупериодоэ напряжения ~ети будет повторяться. Подобный способ питания лампы нака­ливания создает в последний эффект «мерцающего» света.

Между анодом тринистора и нагрузкой целесообразно включить резистор (Rg на схеме), который несколько уменьшает амплитуду импульсов тока через лампу и тем самым улучшает зрительный эффект мерцания. Сопротивление этого резистора не критично и связано с мощностью используемой лампы об­ратно пропорциональной зависимостью, например при напряжении сети 220 В и мощности лампы 15 ... 40 Вт оно составляет 470 ... 270 Ом.

Релаксационные генераторы питаются положительным пульсирующим на­пряжением, снимаемым с делителя RtR5. Амплитудное значение напряжения на резисторе R5 не должно превышать междубазового напряжения однопереход­ных транзисторов (30 В). Конденсаторы Ci~C3 в эмиттерных цепях генерато­ров целесообразно выбирать одинаковой емкости, например 0,1 мкФ. Диоды VD2 — VD4 устраняют влияние выходных сигналов генераторов друг на друга.

Требования к тринистору по току и напряжению аналогичны требованиям, предъявляемым к тринисторам выключателя рис. 25,6.



Переключающее устройство (рис. 63) поочередно включает и выключает три источника света (лампы накаливания). Лампы включены в анодные цепи тринисторов и питаются однополупериодиым током. Управление тринисторам.и осуществляется амплитудно-фазовым способом (см. § 7).

После включения устройства в сеть тринисторы VS1 — VS3 остаются закры­тыми. В течение тех полупериодов напряжения сети, когда положителен верх­ний (по схеме) провод питания, конденсаторы C1 — С3 будут заряжаться через диод VD4 и соответствующие резисторы R1 — R6. Напряжения на конденсаторах постепенно возрастают, и в цепи управляющего электрода каждого из трини­сторов появится ток Iу, значение которого определяется мгновенным напряже­нием на конденсаторе и сопротивлениями соответствующих резисторов R7, R-., Ru. Из-за разброса минимального значения отпирающего тока управления от­дельных приборов первым включится тринистор, имеющий наименьшее значение тока отпирания. Пусть, например, это будет тринистор VS1, который вклю­чится, когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет значения ис1=Uу.отmin + Iу.от min R7 (здесь Uу.от min и Iу.от min — минимальные значения отпирающего напряжения и тока управления прибора VS1 соответственно). При этом загорится лампа HL}, а конденсатор С2, который уже успел зарядиться до некоторого напряжения, разрядиться через резистор R4, диод VD2 и анод­ную цепь тринистора VSi. Тринистор VSt будет открываться в течение каж­дого положительного полупериода напряжения на его аноде до тех пор, пока не включится тринистор VS3, поскольку конденсатор С3 в цепи управления этого прибора продолжает заряжаться. При открывании прибора VS3 загорится лампа HL3, а конденсатор С1 разрядится через резистор R2, диод VD1 и анод­ную цепь VS3, и таким образом, тринистор VS1 в конце очередного положи­тельного полупериода напряжения на аноде выключится и лампа HL1 погаснет, Конденсатор С2 вновь начнет заряжаться, и через некоторое время откроется тринистор VS2, загорится лампа HL2, а тринистор FS3 выключится и лампа HL2 погаснет.


Таким образом, открывающийся тринистор шунтирует цепь управле­ния ранее открытого прибора и выключает его.



Рис. 63. Схема переключателя, периодически коммутирующе­го три источника света

Процесс поочередного включения ламп HLl — HL3 — HL2 — HL1 — HL3 — HL2 и т. д. будет повторяться. Вместо ламп можно включить гирлянды, и если лам­пы гирлянд расположить так, чтобы они чередовались, то получится эффект «бегущих огней».

Емкости конденсаторов С1 — С3 выбираются в пределах нескольких десят­ков микрофарад, а зарядные сопротивления Ri, Rs, Rs — в пределах 15... 30 кОм. Резисторы R2, R4, Кб с сопротивлением несколько десятков ом ограничивают раз­рядные токи конденсаторов. Резисторы Rj, RQ, Ru определяют значения управля­ющих токов тринисторов, подбором их сопротивлений можно изменять очеред­ность включения тринисторов.

Отметим, что для получения световых эффектов могут также использоваться выключатели, схемы которых приведены на рис. 28,6 и 30.

 

23. Импульсные источники света с накопителем энергии

Принцип накопления энергии, понятие о котором было дано в § 18, позволяет от маломощного источника питания получать мощные световые вспыш­ки. На этом принципе основана работа устройства (рис. 64), создающего «мига­ющий» свет.

После включения напряжения питания на базу транзистора VT1 (через рези­стор R1) подается положительное напряжение и транзистор начинает проводить ток, заряжая конденсатор С1 по цепи: плюс источника — резистор R4 — открытый транзистор VT1 — лампа HL1 — конденсатор C1 — минус источника. Сопротивление резисто­ра R1 выбирается таким, чтобы в начальной стадии заряда конденсатора C1, когда заряд­ный ток максимален и примерно равен UПИТ/R4, лампа HLi оставалась погашенной. Напряже­ние на конденсаторе UC1 (и в точке а) нара­стает по экспоненциальному закону. Это напря­жение создает в цепи управляющего электрода тринистора VS1 ток, равный (uc1 + uл — Uу)/R2, где ил — падение напряжения на погашенной лампе HLi, а Uу — напряжение между управ­ляющим электродом и катодом тринистора.


Когда ток в цепи управления Iу становится до­статочным для открывания тринистора, послед­ний включается в проводящее состояние. При этом конденсатор С4 разряжается через лам­пу HLi, диод VDi и тринистор VS1 и лампа на короткое время загорается. Таким образом, энергия, запасенная в электриче­ском поле конденсатора, расходуется на импульсное питание нити лампы нака­ливания. Падение напряжения на диоде VDi от разрядного тока конденсатора включает переход база — эмиттер транзистора VTi в обратном направлении, и он закрывается. Сопротивление резистора R1 выбирается из условия (6), следо­вательно, когда разрядный ток конденсатора Ci становится меньше удерживаю­щего тока тринистора, последний выключается. При закрытом тринисторе вновь начинает проводить транзистор, и цикл повторяется.



Рис. 64. Схема устройства с накопительным конденсатором для создания «мигающего» света

Продолжительность интервала «включено» в этом устройстве не регули­руется. Частота вспышек практически определяется постоянной времени RiCi и сопротивлением резистора R2. Емкость конденсатора Ci выбирается в преде­лах нескольких сотен микрофарад. Напряжение питания устройства 20... 25 В. В качестве источника света можно использовать лампу накаливания на напря­жение 24... 26 В мощностью 15... 25 Вт( например, типов СМ26-15, С24-25 и др.).

Такое устройство весьма экономично, может питаться от батареи или ак­кумулятора, сохраняя работоспособность даже при значительном снижении на­пряжения питания.

Динисторы и тринисторы применяются в устройствах поджига импульсных газоразрядных ламп (например, типа ИФК-120), которые широко используют­ся в фотографии, стробоскопах, светосигнализации и т. д. Схемное выполнение устройств поджига разнообразно, однако во всех устройствах используется принцип накопления энергии.



Рис. 65. Схема генератора мощных световых импульсов

В генераторе мощных световых импульсов (рис. 65) поджиг газоразрядной лампы осуществляется от генератора импульсов на динисторе VS1, который фактически представляет собой генератор импульсов (рис. 47,а).


После включе­ния устройства в те полупериоды напряжение сети, когда положителен верх­ний (по схеме) провод питания, основной накопительный конденсатор Ci заря­жается через диод VD1 и ограничивающий резистор R1 примерно до амплитуд­ного значения напряжения сети. Одновременно через резистор R2 (сопротив­ление которого R2>R1) относительно медленно заряжается конденсатор Сг, и когда напряжение на нем достигает значения UПрк динистора VSlt послед­ний открывается. Конденсатор С2 разряжается через динистор и первичную обмотку повышающего трансформатора T1 Импульс высокого напряжения, по­являющийся на вторичной обмотке, поджигает газоразрядную лампу VL1, через которую разряжается накопительный конденсатор С1, при этом возникает мощный световой импульс. Затем цикл повторяется.



Рис. 66. Схема импульсного источни­ка света (лампа-вспышка)

Частота вспышек лампы VL1 может регулироваться резистором R2; она уменьшается при увеличении сопротивления этого резистора.

На рис. 66 показана схема лампы-вспышки, используемой в фотографии. Питание устройства производится от батареи GB1, а в генераторе поджига ис­пользован тринистор VS1. Принцип работы лампы-вспышки такой же, как и генератора световых импульсов.

После замыкания выключателя Q1 конденсатор C1 заряжается до напря­жения, равного ЭДС батареи, а конденсатор С2 — до напряжения, определяе­мого делителем R2R3. Лампа-вспышка срабатывает при кратковременном замы­кании синхронконтактов S1, включенных в цепь управления тринистора VS». При этом тринистор открывается и конденсатор С2 разряжается через него и первичную обмотку трансформатора T1, на вторичной обмотке которого возни­кает импульс высокого напряжения, поджигающий лампу VL1. Через лампу разряжается накопительный конденсатор С1, и при этом генерируется мощный световой импульс. Когда лампа погаснет, конденсаторы С1 и С2 вновь заря­жаются, и при очередном замыкании контактов S1 вспышка повторяется.

Делитель R2, R3 выбирается исходя из ЭДС используемой батареи и выб­ранного типа тринистора таким, чтобы напряжение в точке а было Ua<U3C, а его суммарное сопротивление составляло несколько сотен килоом.


Сопротив­ление резистора R4 в цепи управления выбирается из условия (8). Электриче­ская нагрузка на синхроконтакты мала, поскольку через них протекает незна­чительный ток управляющего электрода тринистора.

Емкость накопительного конденсатора С1 и напряжение, до которого он заряжается, в обоих устройствах определяют мощность вспышек. Емкость кон­денсатора С2 выбирается примерно 0,1 ... 0,5 мкФ.

 

Глава 6

 

ВЫПРЯМИТЕЛИ и РЕГУЛЯТОРЫ мощности

НА ТРИОДНЫХ ТИРИСТОРАХ

24. Выпрямительные устройства

Проводящий тринистор, как и обычный полупроводниковый диод, име­ет вентильную характеристику: он представляет небольшое сопротивление для прямого тока и весьма значительное — для обратного. Однако наличие у три­нистора третьего, управляющего, электрода придает ему свойства, которых обычный диод не имеет. Действительно, если на управляющий электрод сиг-кал не подан, то тринистор не проводит ток в обоих направлениях. Это каче­ство тринисторов позволяет создавать на их основе выпрямительные устрой­ства, обладающие свойствами, реализация которых у обычных выпрямителей затруднительна или же невозможна. Так, тринисторные выпрямители позволяют, во-первых, при необходимости автоматически отключать нагрузку и, во-вторых, плавно регулировать выходное напряжение. Тринисторные выпрямители вы­полняются по известным схемам (одно-, двухполупериодные, мостовые и т. д.), в которых диоды частично или полностью заменяются тринисторами. Описание одно- и трехфазных схем выпрямителей на тринисторах можно найти, напри­мер, в [7].

Для плавного регулирования выходного напряжения в выпрямителях ис­пользуются принципы фазового управления тринисторами, так что на регули­рование практически не затрачивается дополнительной энергии.

В двухполупериодном выпрямителе с регулируемым выходным напряже­нием (рис. 67) управление тринисторами VS1 и VS2 осуществляется импульсно-фазовым способом. Управляющие импульсы формируются релаксационным ге­нератором на однопереходном транзисторе VT1 (см.


§ 8) из каждого полупе­ риода переменного напряжения. Для открывания обоих тринисторов в разные полупериоды используется один релаксационный генератор. Генератор питается выпрямленным диодами VD1 и VD2 пульсирующим напряжением, которое ог­раничивается и стабилизируется стабилитроном VD3, и поэтому имеет трапецеи­дальную форму. После открывания соответствующего тринистора (VSi или У52) генератор шунтируется проводящим прибором и выключается. К началу каждого полупериода конденсатор Ci оказывается разряженным, и, таким об­разом, генератор синхронизируется с частотой питающей сети.

Угол отпирания тринисторов определяется постоянной времени (Ri + R2)C1, т. е. задержкой момента включения однопереходного транзистора относительно начала каждого полупериода, и может изменяться примерно от 5 до 180°. Тем самым выходное напряжение регулируется от максимального значения до нуля и имеет хорошую стабильность во всем диапазоне. Расчет релаксационного генератора производится по формулам (13) — (16).

В тринисторных выпрямителях с регулируемым выходным напряжением обычно используются фильтры, начинающиеся с индуктивности или резистора, чтобы уменьшить броски тока через открывающийся тринистор, обусловленные зарядным током конденсаторов фильтра.

Обратные напряжения на тринисторах в выпрямительных устройствах и токи, которые должны пропускать приборы, можно определять по формулам, используемым для расчета соответствующих выпрямительных схем на обычных диодах.

                              


Рис. 67. Схема тринисторного выпрямите­ля с регулируемым выходным напряжением

Рис. 68. Схема бестрансфор­маторного низковольтного три­нисторного выпрямителя

На рис. 68 показана схема бестрансформаторного однополупериодного три-нисторного низковольтного выпрямителя. Тринистор здесь выполняет две функции: служит выпрямительным элементом и стабилизирует уровень выходного напряжения. После подачи напряжения питания (220 В) в те полупериоды напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) провод питания, три-нистор VS1 открывается и выходной конденсатор С1 заряжается.


Управляющее напряжение на тринистор подается через резистор R2 и диод VD1. От этой же цепи выпрямленным однополупериодным напряжением питается транзистор VT1, который управляет работой тринистора. В эмиттерную цепь транзистора включен стабилитрон VD2, а на базу через ограничивающий резистор Rз пода­ется выходное напряжение. Пока выходное напряжение Uвых меньше напряже­ния стабилизации UСТ2 стабилитрона VD2, т. е. Uвых<Uст2, транзистор закрыт и на работу тринистора не влияет. Когда напряжение UВых становится Uвых>UCT2, транзистор открывается и шунтирует цепь управления тринистора, который остается закрытым в течение всего периода переменного напряжения, Если же выходное напряжение снижается до значения UВых<Uст2, транзистор закрывается, и при очередном положительном полупериоде напряжения сети вновь включается тринистор и выходной конденсатор С1 начинает подзаря­жаться.

Тринистор VS1 и диод VD1 должны иметь обратное напряжение не менее амплитудного значения напряжения сети питания. Напряжение стабилизации стабилитрона определяет выходное напряжение выпрямителя (обычно 10 .„ ...30 В). Резистор R1 ограничивает анодный ток тринистора и коллекторный ток транзистора до допустимого значения. Сопротивление резистора R2 рас­считывается по формуле (12). Конденсатор Ci должен иметь емкость несколько сотен микрофарад.

 

25. Регуляторы мощности

В цепях переменного тока тринисторы кроме функций простых вы­ключателей могут также одновременно выполнять функции регулирующих эле­ментов. Сравнительно простые способы управления тринисторами в цепях пе­ременного тока обусловили широкое применение этих приборов в устройствах для регулирования напряжения. Такие регуляторы, в которых используются фазовые методы управления тринисторами, позволяют в широких пределах изменять среднее значение напряжения, подводимого к нагрузке. В тринистор-ных регуляторах отсутствуют подвижные контакты, потери мощности в них минимальны, а необходимая для управления мощность не зависит от мощнос­ти, потребляемой нагрузкой.


Регуляторы просты, удобны в эксплуатации и не требуют наладки после изготовления.

При фазовом управлении тринисторы открываются и закрываются синхрон­но с переменным напряжением источника питания и подключают последний к нагрузке на определенную, регулируемую часть полупериода переменного на­пряжения, что осуществляется путем изменения угла отпирания тринистора (см. § 7), и таким образом регулируется среднее значение напряжения на на­грузке.

В регуляторе (рис. 69) используется амплитудно-фазовый способ управле­ния тринистором. Такой регулятор позволяет изменять подводимую к нагрузке мощность от половинного до почти номинального значений.



Рис. 69. Схема регулятора мощ­ности на тринисторе и диоде

В те полупериоды напряжения сети, когда положителен нижний (по схеме) провод питания, на аноде тринистора VSi действует положительное напряжение и конденсатор C1 заряжается через сопро­тивление нагрузки Rн и резисторы R1 и R2. При полностью включенном резисторе R2 напряжение на конденсаторе C1 к концу по­лупериода не должно превышать неотпи­рающего напряжения управления тринисто­ра, т. е. uc1<Uу.нот. В эти полупериоды тринистор остается закрытым, и ток через нагрузку и диод VD1 протекает только в те полупериоды напряжения сети, когда поло­жителен верхний (по схеме) провод пита­ния. При этом к нагрузке подводится по­ловинная мощность, что при напряжении сети 220 В эквивалентно снижению на­пряжения на нагрузке примерно до 160 В.

Если резистор R2 закорочен, то продолжительность заряда конденсатора С1 определяется резистором R1. Сопротивление этого резистора должно быть таким, чтобы конденсатор зарядился до напряжения, равного напряжению от­пирания тринистора uc1>Uу.oт в начале полупериода. Тринистор VS{ откры­вается и проводит ток почти в течение всего положительного полупериода на­пряжения на аноде. Теперь через нагрузку ток протекает в оба полупериода к к ней подводится почти номинальная мощность.



Значение среднего тока тринистора VS1 и диода VD1 должно быть не ме­нее 0,32 UmlRm. В регуляторе можно использовать тринистор с ненормируемым обратным напряжением. Прямое напряжение тринистора в закрытом состоя­нии, а также обратное напряжение диода должны быть не менее амплитудного значения напряжения сети Um.

Тринисторные регуляторы с амплитудно-фазовым управлением обеспечива­ют невысокую стабильность напряжения на нагрузке, что объясняется неста­бильностью угла отпирания тринистора.

Широкое распространение нашли регуляторы, использующие выключатель с диодным мостом и тринистором (рис. 25,а) и позволяющие изменять мощность в нагрузке от нуля до максимального значения. Нагрузка в регуляторах такого типа может включаться в цепь переменного или постоянного (пульсирующего) тока. Управление тринисторами осуществляется амплитудно- или импульсно-фазовым способами.

Две схемы регуляторов, основу которых составляют выключатели (рис. 25,а), показаны на рис. 70. В обоих устройствах тринисторы управляются им-пульсно-фазовым способом. В регуляторе рис. 70,а в цепи управления трини­стором используется динистор VS2 (вместо динистора можно применить стаби­литрон), а в регуляторе рис. 70,6 — однопереходный транзистор VT1. Угол от­пирания ф тринистора в каждом регуляторе определяется интервалом времени от начала положительного полупериода напряжения на его аноде до момента, когда экспоненциально нарастающее напряжение на конденсаторе C1 становится достаточным для срабатывания ключевого прибора в цепи управления. Таким образом, тринистор можно включать в течение какой-то части каждого полупе­риода переменного напряжения.



Рис. 70. Схемы регуляторов мощности с диодным мостом и тринистором и клю­чевыми приборами в цепи управления: динистором (а), однопереходным тран­зистором (б)

Регулятор (рис. 70,а) работает следующим образом. После подачи на­пряжения питания (замыкания выключателя Q1) в те полупериоды напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) провод питания, конденсатор С, заряжается через цепь: сопротивление нагрузки RН, диод VD3, резисторы R1, R2 и диод VD2. Когда напряжение на С1 достигнет значения, равного UПрк ди­нистора VS2, последний откроется, конденсатор разрядится через динистор и цепь управляющего электрода тринистора VS1, который при этом включится.


После открывания тринистора напряжение сети, за вычетом падения напряжения на открытом тринисторе и диодах VD2 и VD3, включенных в прямом направле­нии, окажется приложенным к нагрузке. В конце полупериода тринистор закры­вается и ток в нагрузке становится равным нулю. В следующий полупериод ока­зывается положительным нижний провод питания; теперь конденсатор С1 за­ряжается через диод KD4, резисторы R1, R2, диод VD1, сопротивление нагруз­ки Rн, и процессы в регуляторе повторяются.

Момент открывания тринистора, т. е. значение угла ф, определяется по­стоянной времени (Ri + R2)Ci и напряжением переключения динистора. Угол отпирания ф можно регулировать переменным резистором R2 в течение каждо­го полупериода напряжения сети питания примерно от 10 до 170° и, таким образом, плавно изменять подводимую к нагрузке мощность почти от нуля (резистор R2 полностью включен) до номинального значения (резистор R2 за­корочен).

При открывании тринистора последний шунтирует свою цепь управления, предотвращая бесполезное рассеивание мощности на ее элементах.

Аналогично работает и регулятор с однопереходным транзистором (рис. 70,6), обеспечивающий значительно лучшую стабильность напряжения на на­грузке. Конденсатор С1 времязадающей цепочки релаксационного генератора на однопереходном транзисторе (см. § 8) заряжается напряжением, которое ста­билизировано стабилитроном VD5. Мощность, подводимая к нагрузке, регули­руется резистором R5 примерно в тех же пределах, что и в предыдущем ус­тройстве.

Рассмотренные тринисторные регуляторы, как правило, используются для уменьшения напряжения на нагрузке, номинальное напряжение которой долж­но быть не менее напряжения питающей сети, и обычно применяются в устрой­ствах для изменения яркости ламп, для плавного регулирования мощности эле­ктронагревательных элементов, в цепях питания электродвигателей и т. д.

В отличие от ранее рассмотренной схемы рис. 69 в последних двух регу­ляторах тринистор имеет одинаковые углы отпирания в обоих полупериодах и поэтому в нагрузке протекает ток симметричной формы (без постоянной со­ставляющей).



Форма напряжения на нагрузке в тринисторном регуляторе в общем слу­ чае представляет собой усеченную синусоиду, поэтому при работе регулятора (особенно на активную нагрузку) возникают интенсивные гармоники часто­ты сети. Для предотвращения проникновения в сеть гармонических составля­ющих ставятся LC-фильтры.

Рассмотрим тринисторный регулятор числа оборотов электродвигателя. Универсальные электродвигатели с последовательным возбуждением широко ис­пользуются в различного рода электроинструментах, миксерах, пылесосах м во многих других устройствах. Плавное регулирование числа оборотов тако­го электродвигателя с одновременной автоматической стабилизацией их при выбранном режиме работы может производиться с помощью тринисторного ре­гулятора, схема которого приведена на рис. 71.

Основу регулятора составляет тринистор, управляемый амплитудно-фазо­вым способом. Тринистор VSi включен последовательно с двигателем MI, ко­торый, таким образом, питается однополупериодным током. Принцип действия регулятора основан на сравнении противо-ЭДС «д, возникающей на зажимах двигателя из-за остаточной намагниченности и пропорциональной скорости вра­щения вала, с опорным напряжением Uon. В регуляторе осуществляется выде­ление разностного сигнала uу = Uоп — uд, который используется для фазового управления тринистором, что и обеспечивает возможность регулирования мощ­ности, подводимой к электродвигателю.

Опорное напряжение U0n определяется положением движка переменного резистора R2. Из-за диода VD1 ток через резисторы R1 — R3 протекает лишь пол­периода, и напряжение иоп достигает амплитудного значения в момент, когда напряжение питающей сети проходит через максимум. Если остаточная проти­во-ЭДС uд двигателя больше, чем амплитудное значение Uon (т. е. если ско­рость вращения превышает некоторое установленное значение), то диод VDS оказывается включенным в обратном направлении (Uоп — uд<0) и сигнал аз управляющий электрод тринистора VSi не поступает.


Прибор остается закры­тым, следовательно, напряжение питания на двигатель в данный полупериод; не подается. Когда скорость вращения двигателя снизится настолько, что про­тиво-ЭДС станет меньше, чем Uоп (т. е. иоп — uд>0), диод VD2 ока­жется включенным в прямом на­правлении и на управляющий элек­трод тринистора поступит отпира­ющий сигнал. Тринистор откроет­ся, и напряжение питания, соот­ветствующее данному полуперио­ду, будет подано на двигатель.

Наибольший угол отпирания тринистора в этом регуляторе со­ставляет ф = 90°, при этом к дви­гателю подводится наименьшая мощность. Если нагрузка на вал двигателя возрастает, так что ско­рость вращения и противо-ЭДС снижаются, то тринистор отпирается с меньшей задержкой, увеличивая, таким образом, подводимую к двигателю мощность.



Рис. 71. Схема регулятора — стабили­затора скорости двигателя

Следует заметить, что в случае небольшой нагрузки на вал и при поло­жении потенциометра R2, соответствующем малой скорости двигателя (крайнее нижнее по схеме), последний за четверть периода (ф = 90°), в течение которого к нему подводится мощность, может сильно увеличить свою скорость. В даль­нейшем пройдет много периодов, прежде чем скорость двигателя снизится до установленного значения и тринистор вновь сможет открыться. В результа­те нарушается заданный режим работы, появляется характерный шум «кача­ния» двигателя. Для устранения этого нежелательного эффекта необходимо уменьшить интервал времени, в течение которого мощность подводится к двига­телю, т. е. сделать угол отпирания ф>90°. Как ранее указывалось, это реализу­ется с помощью фазосдвигающей RС-цепи. В рассматриваемом регуляторе в схему добавляется конденсатор С1 (емкостью порядка нескольких микрофарад), и тогда напряжение на движке резистора R2 будет сдвинуто по фазе на угол, определяемый постоянной времени цепи (R1+R2+R3)C1 относительно напряже­ния сети.

Сопротивление резистора R1 выбирается из условия (12) для получения не­обходимого управляющего тока при наибольшей мощности, подводимой к дви­гателю.Суммарное сопротивление резисторов R1+R2 должно обеспечить нужный ток управления при наименьшей подводимой к двигателю мощности. Выключа­тель Si позволяет отключить регулятор от двигателя.

В заключение отметим, что в рассмотренном устройстве тринистор выпол­няет несколько функций: во-первых, ключа «включено» — «выключено», во-вторых регулятора мощности, поступающей к двигателю, и, в-третьих, исполни­тельного элемента в цепи обратной связи, стабилизирующей скорость двига­теля.

 

ТИРИСТОРНЫЕ УСТРОЙСТВА

Предисловие

Тиристоры — полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой обладают такими свойствами, как быстродействие, достаточно боль-шие рабочие напряжения и токи, мгновенная готовность к работе, высокий КПД большой срок службы и др., которые обеспечили им широкое распространение в электронике, электротехнике, автоматике и в ряде других областей техники.

По принципу действия полупроводниковые приборы с четырехслойной струк­турой существенно отличаются от транзисторов и в электрических устройствах действуют как полупроводниковые ключи, которые открываются и закрываются при кратковременной подаче соответствующих сигналов. Таким образом, эти полупроводниковые приборы обладают замечательным свойством «запоминать» заданное им внешним сигналом электрическое состояние.

В настоящее время тиристоры с успехом конкурируют с мощными транзис­торами, тиратронами, электромеханическими и механическими реле и широко применяются в таких устройствах, как переключатели, реле времени, регуляторы напряжений, импульсные генераторы, управляемые выпрямители, инверторы, и др. Использование полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой позволяет более просто реализовать ряд известных схем, а также создавать новые устройства, схемы которых не имеют аналогов в ламповой и транзистор­ной технике.

Успешное и эффективное применение тиристоров возможно в тех случаях, когда радиолюбитель знаком не только с паспортными данными приборов, но к понимает физические принципы действия приборов, влияния на их работу раз­личных факторов, а также отчетливо представляет методы построения схем ти-ристорных устройств. В то же время популярной радиотехнической литературы, в которой были бы систематизированы сведения о тиристорах и созданных на их основе устройствах, пока еще мало.

В настоящей книге читатель, недостаточно знакомый с полупроводниковыми приборами с четырехслойной р-n-р-n структурой и принципами использования их в различных устройствах, сможет найти ответы на основные возникающие у него вопросы.
В книге рассматриваются физические основы работы и основные характеристики диодных и триодных тиристоров. Показаны способы и возмож­ности применения этих приборов на примерах схем разнообразных устройств, приводятся рекомендации по выбору и расчету основных элементов схем.

Второе издание книги (первое вышло в 1978 г.) переработано и дополнено рядом схем тиристорных устройств, а также сведениями о некоторых типах три­одных тиристоров. Можно надеяться, что схемы описанных устройств и принци­пы, заложенные в основу их работы, привлекут внимание читателя и послужат ему исходным материалом для разработки на их основе оригинальных уст­ройств.

Отзывы о книге присылать по адресу: 101000, Москва, Почтамт, а/я 693, издательство «Радио и связь», Массовая радиобиблиотека.

Глава 1

 

УСТРОЙСТВО, ПРИНЦИП РАБОТЫ

И ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ

ПРИБОРОВ С ЧЕТЫРЕХСЛОЙНОЙ СТРУКТУРОЙ

 

1.     Устройство, принцип работы,

обозначения диодных и триодных тиристоров

Приборы с четырехслойной структурой р-n-р-n представляют собой один из видов многочисленного семейства полупроводниковых приборов, свой­ства которых определяются наличием в толще полупроводниковой пластины смежных слоев с различными типами проводимости. Основу такого прибора со­ставляет кремниевая пластина, имеющая четырехслойную структуру, в которой чередуются слои с дырочной р и электронной n проводимостями (рис. 1,а). Эти четыре слоя образуют три р-n перехода J1, J2, Jз. Выводы в приборах с че­тырехслойной структурой делаются от двух крайних областей (р и л), а в боль­шинстве приборов — и от внутренней области р.

Крайнюю область р структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом А; крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника, — катодом K, а вывод от внутренней области р — управляющим электродом УЭ. Естественно, что для полупроводникового прибора такие определения носят ус­ловный характер, однако они получили широкое распространение по аналогии с тиратронами и ими удобно пользоваться при описании схем с этими приборами.

Рис. 1. Схематическое устройство полупроводникового прибора с четырехслой­ной структурой (а), представление его в виде двухтранзисторной схемы (б, в)

Согласно ГОСТ 15133 — 77 все переключающие полупроводниковые приборы с двумя устойчивыми состояниями, имеющие три или более р-n перехода, называются тиристорами. Приборы с двумя выводами (анод и катод) назы­ваются диодными тиристорами или динисторами, а приборы с тремя выводами (анод, катод, управляющий электрод) — тр йодным и ти­ристорами или тринисторами. В этой книге рассматриваются только эти два типа приборов, которые широко (особенно тринисторы) применяются в различных устройствах. С другими типами полупроводниковых приборов с мно­гослойной структурой (запираемыми и симметричными тиристорами, фототирис-торамл и др.) читатель может познакомиться в [1 — 4].

Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой может быть мо­делирован комбинацией двух обычных транзисторов с различными типами про­водимости (рис. 1,6, в): VTt со структурой р-n-р и VT2 со структурой n-р-n. У транзистора VTl переход J1 является эмиттерным, а переход J2 — коллекторным, у транзистора VT2 эмиттерным служит переход J3, а коллекторным J2; таким «образом, оба транзистора имеют общий коллекторный переход J2 (рис. 1,6). Крайние области четырехслойной полупроводниковой структуры являются эмит­терами, а внутренние — базами и коллекторами составляющих транзисторов VТг и VT2.

База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллекто­ром и базой транзистора VT2, образуя цепь внутренней положительной обратной связи (рис. 1,6, в). Действительно, из рис. 1,в видно, что коллекторный ток IK1 транзистора VT1 одновременно является базовым током IБ2, отпирающим тран­зистор VT2, а коллекторный ток Iк2 последнего — базовым током IБ1, отпирающим транзистор УТ1, т. е. база каждого транзистора питается коллек­торным током другого транзистора.

Рассмотрим режим работы полупроводникового прибора с четырехслойной структурой, когда на него подано небольшое напряжение: плюс источника пи­тания Uпит через резистор R подключен к аноду, минус — к катоду, а ток в цепи управляющего электрода равен нулю (рис 1,а, в).


Напряжение такой по­лярности называется прямым. Приложенное к прибору напряжение распреде­ляется между тремя р- n переходами структуры. При указанной полярности на­пряжения Uпит оба эмиттерных перехода J1 и J3 составляющих транзисторов будут включены в прямом, а общий коллекторный переход J2 — в обратном на­правлениях. Таким образом, все напряжение источника практически окажется приложенным к среднему переходу J2, который препятствует протеканию боль­шого тока через прибор, несмотря на то, что два других перехода структуры включены в прямом направлении. Через полупроводниковый прибор и во внеш­ней цепи начинает протекать небольшой ток IJ2 коллекторного перехода J2, включенного в обратном направлении.

Обозначим через ai и а2 интегральные коэффициенты передачи токов эмит­теров транзисторов VTl и VT2 соответственно. Из рассмотрения транзисторной схемы замещения (рис. 1,б,в) видно, что ток IJ2, протекающий через переход J2, складывается из трех компонентов: коллекторных токов a1IЭl и a2IЭ2, создан­ных эмиттерными токами обоих транзисторов, и небольшого собственного обрат­ного тока этого перехода Iко, т. е.



где IЭ1 и IЭ2 — эмиттерные токи составляющих транзисторов VT1 и VT2 соот­ветственно; Iко — собственный обратный ток коллекторного перехода J2.

Как видно из рис. 1,6, е, токи IЭ1, IЭ2 и Ij2 должны быть одинаковыми пс» значению с током во внешней цепи I и, следовательно, равны между собой, т. е. IЭ1 = IЭ2 =IJ2 = I. Таким образом,

I = a1I + а2I + IК0,

отсюда

                                                                                                                                     (1)

Уравнение (1) является основным соотношением для полупроводниковые приборов с четырехслойной структурой р-n-р-n, из которого видно, что ток I через прибор зависит от значения коэффициентов a1 и а2 и резко возрастает, когда сумма (a1+a2) приближается к единице.

Пока напряжение, приложенное к прибору, таково, что коллекторный пере­ход J2 остается включенным в обратном направлении, ток, протекающий через переход мал, а значения коэффициентов си и а2 много меньше единицы.


Тогда на основании равенства (1) получаем, что ток во внешней цепи примерно равен собственному обратному току коллекторного перехода, который применительно к четырехслойной полупроводниковой структуре принято называть током в закрытом состоянии, т. е. I=Iко=Iзс. В этом режиме оба транзистора находятся в выключенном состоянии, сопротивление между выводами А и K, которое определяется сопротивлением перехода J2, включенного в обратном на­правлении, будет большое (сотни килоом), что соответствует закрытому (непро­водящему) состоянию полупроводникового прибора с четырехслойной структу­рой.

Существуют два основных способа увеличения коэффициента а, получивших наибольшее распространение в практике. Известно, что значение коэффициента передачи тока эмиттера в кремниевых транзисторах существенно зависит от тока эмиттера, а также от напряжения между коллектором и эмиттером. На рис. 2 показаны примерные зависимости коэффициента а от напряжения кол­лектор — эмиттер (при токе базы, равном нулю) и от тока эмиттера кремние­вого транзистора. При токах эмиттера, не превышающих долей миллиампера,, значение а мало — менее 0,1. Оба способа воздействия на коэффициенты ai и ctj используются для включения полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой.



Рис. 2. Примерные за­висимости коэффици­ента а от напряже­ния коллектор — эмиттер Uкэ (а) и от тока эмиттера IЭ (б) у кремниевого транзистора

Вначале рассмотрим способ открывания прибора путем повышения напряже­ния, приложенного к выводам анод — катод (рис. 1,а, в], полагая ток управляю­щего электрода Iу равным нулю. Начнем постепенно увеличивать напряжение-£Лшт, а тем самым и напряжения, действующие между коллектором и эмитте­ром у каждого из составляющих транзисторов (рис. l,s). Сначала ток через прибор остается практически неизменным, так как токи составляющих транзис­торов и ток Iко почти не возрастают, поскольку коллекторный переход J2 про­должает оставаться включенным в обратном направлении, а коэффициенты a1 и a2 по-прежнему много меньше единицы (рис. 2,а).


При дальнейшем повыше­нии напряжения и по мере приближения его к пробивному напряжению нерехо-да J2 начинают увеличиваться токи составляющих транзисторов, ток Iко, а следовательно, и коэффициенты a1 и a2. При некотором значении напряжения на приборе, которое называется напряжением переключения UПрк, про­исходит пробой перехода J2, сопровождающийся лавинообразным нарастанием токов обоих составляющих транзисторов и тока через прибор.

При напряжениях, достаточно близких к напряжению лавинного пробоя коллекторного перехода J2, следует учитывать эффект умножения носителей за­рядов (дырок и электронов) при прохождении ими обратно включенного перехо­да J2. Для упрощения можно предположить, что коэффициенты лавинного ум­ножения дырок Мр и электронов Мп одинаковы: Мр=Мп = М. С учетом это­го явления ток через коллекторный переход



а уравнение :(1) принимает вид

                                                                                                                                              (1а)

где М — коэффициент лавинного умножения носителей зарядов, который явля­ется функцией напряжения, приложенного к переходу J2.

При напряжениях, подаваемых на прибор, пока коллекторный переход J2 остается включенным в обратном направлении, умножение зарядов отсутствует, т. е. М=1. Однако при приближении этого напряжения к значению Unрк в коллекторном переходе начинает проявляться процесс ударной ионизации ато­мов, происходит образование дополнительных носителей и коэффициент М ста­новится больше единицы.

Лавинное нарастание тока через р-n-р-n структуру начинается при напря­жении, которое обеспечивает выполнение равенства M(a1+a2) = 1. При этом ус­ловии оба составляющих транзистора переходят в режим насыщения, сопротив­ление между выводами А и K прибора падает до нескольких ом, что соответ­ствует сопротивлению трех последовательно соединенных р-n переходов, вклю­ченных в прямом направлении. Ток через прибор, который называется током в открытом состоянии (прямой или анодный ток), практически ограничи­вается лишь сопротивлением внешней цепи R (рис. 1,а,в), а падение напряже­ния на приборе, которое называется напряжением в открытом со­стоянии Uoc, составляет единицы вольт.


Такой режим соответствует откры­тому (проводящему) состоянию прибора с четырехслойной структурой.

Следует заметить, что при переходе составляющих транзисторов в режим насыщения напряжения их коллекторных переходов становятся примерно рав­ными нулю, и если в момент переключения коэффициент М>1, то после пе­реключения он становится равным единице.

Открытое состояние полупроводникового прибора с четырехслойной струк­турой сохраняется, пока через него протекает ток, обеспечивающий выполнение равенства а1 + а2=1 при малом значении напряжения на приборе. Наименьшее значение этого тша называется удерживающим током Iуд.

Второй способ переключения приборов из закрытого состояния в открытое основан на том, что в кремниевых транзисторах коэффициент а в сильной сте­пени зависит от тока эмиттера .(рис. 2,6) и быстро возрастает при увеличении этого тока. На эмиттерный ток транзистора можно воздействовать током базы; поэтому полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой можно пере­вести в открытое состояние, если пропустить ток в цепи базы одного из со­ставляющих транзисторов, что приведет к увеличению тока эмиттера и соот­ветственно коэффициента а этого транзистора. Этот способ применяется для открывания трехэлектродных приборов. В дальнейшем мы будем рассматривать только такие трехэлектродные полупроводниковые приборы, у которых вывод управляющего электрода сделан из внутренней р-области структуры (р — база транзистора VT2 на рис. 1,6, в). В этом случае для включения прибора ток управляющего электрода Iу, подаваемый от дополнительного внешнего источни­ка, должен иметь направление, соответствующее направлению тока базы тран­зистора n-p-n(VT2), т. е. втекать в базу (рис. 1,0).

С учетом управляющего тока Iу ток, протекающий через средний коллек­торный переход J2, будет



и тогда уравнение (1) для тока через прибор несколько изменится:

                                                                                                                                              (1б)



Рассмотрим процесс включения трехэлектродного прибора, между анодом в катодом которого действует напряжение Uпит, которое меньше, чем напряжение переключения, а в цепь управляющего электрода от внешнего источника подак ток Iу (рис. 1,в).

Механизм включения полупроводникового прибора с четырехслойной струк­турой посредством тока Iу можно пояснить, используя двухтранзисторную схе­му замещения (рис. 1,6, в). Протекая в цепи база — эмиттер транзистора VT2, ток Iу увеличивает эмиттерный и коллекторный токи этого транзистора и тем самым — коэффициент а2. Однако коллекторный ток транзистора VТ2 является базовым током второго транзистора и, протекая в цепи базы транзистора VT1, открывает последний. Эмиттерный и коллекторный токи транзистора VT1 воз­растают, растет и коэффициент a1. Коллекторный ток VT1, протекая в цепи базы транзистора VT2 и складываясь с током управляющего электрода Iу, приводит к дальнейшему росту эмиттерного и коллекторного токов транзистора VT2. Та­ким образом, благодаря действию внутренней положительной обратной связи пс току создаются условия для лавинного нарастания тока через р-n-р-n структу­ру (16) и прибор переключается в открытое состояние. Следует обратить внима­ние на то, что ток управляющего электрода Iу позволяет увеличить коэффици­ент а2 и таким образом начать процесс лавинообразного нарастания тока через р-n-р-n структуру независимо от значения напряжения UПИт, действующего меж­ду анодом и катодом прибора.

После включения прибора управляющий ток может быть сделан равным ну­лю. При этом благодаря действию положительной обратной связи составляющие транзисторы VTi и VT2 останутся в режиме насыщения, ибо ток базы, необхо­димый для насыщения каждого из транзисторов, обеспечивается коллекторным током дополняющего транзистора. В этом состоит принципиальное различие между полупроводниковыми приборами с четырехслойной р-n-р-n структурой и транзисторами (последние сохраняют открытое состояние, пока цепь базы пи­тается током от какого-либо внешнего источника).


Как и при первом способе отпирания, прибор остается в открытом состоянии, пока протекающий через него ток обеспечивает выполнение условия а1+а2»1.

Оба рассмотренных способа увеличения коэффициентов а используются на практике для переключения из закрытого состояния в открытое полупроводни­ковых приборов с четырехслойной структурой. Первый способ — для переключе­ния двухэлектродных приборов (динисторов), второй — для включения трехэлек­тродных приборов (тринисторов). При любом способе отпирания время перехо­да приборов из закрытого состояния в открытое составляет единицы микросе­кунд.

Открытый полупроводниковый прибор можно вновь перевести в закрытое состояние, если уменьшить протекающий через него ток так, чтобы стало вы­полняться условие (ai+a2)<l, или просто на короткое время разомкнуть внешнюю цепь, сделав прямой ток равным нулю.

Обратимся теперь к случаю, когда к аноду полупроводникового прибора с четырехслойной структурой приложено относительно небольшое напряжение об­ратной полярности, так называемое обратное напряжение (плюс к ка­тоду, минус к аноду), а ток в цепи управляющего электрода равен нулю. При подаче напряжения обратной полярности оба крайних (эмиттерных) перехода J1 и J3 четырехслойной полупроводниковой структуры включаются в обратном, а средний (коллекторный) переход J2 — в прямом направлениях. Обычно пере­ход Jз обладает очень слабой запирающей способностью, и поэтому все на­пряжение внешнего источника практически оказывается приложенным к перехо­ду J1. При этом через прибор и во внешней цепи будет протекать небольшой ток перехода J1, включенного в обратном направлении, который называется обратным током Iобр.

Если увеличивать обратное напряжение, то при некотором его значении произойдет электрический пробой перехода J1, что может привести к разруше­нию прибора. Обратное напряжение для полупроводниковых приборов с четы­рехслойной структурой строго ограничивается по значению, а для некоторых ти­пов приборов оно вообще недопустимо.



Итак, механизм действия полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой (тиристоров) имеет резко выраженный ключевой характер. Приборы могут находиться только в одном из двух устойчивых состояний: «Закрыто» и «Открыто». Эта особенность приборов отражена в их названии: «тира» — по-гречески означает дверь.



Рис. 3. Общий вид динистора типа КН102, тринисторов типов КУ101, КУ201, КУ202, КУ203 и гибридного тиристора КУ10б

Полупроводниковые приборы с четырехслойной р-n-р-n структурой изготав­ливаются из кремния, что обусловлено, во-первых, сильной зависимостью в кремниевой структуре коэффициентов а от протекающего тока, во-вторых, воз­можностью получить р-n переходы на более высокие пробивные напряжения по сравнению с германиевыми структурами и, в-третьих, более высокой допустимой рабочей температурой.

Каждый полупроводниковый прибор монтируется в герметичном металличе­ском корпусе, предохраняющем его от внешних воздействий. Динисторы и три­иисторы малой мощности имеют проволочные выводы электродов и выпускаются в корпусах, аналогичных соответственно корпусам выпрямительных диодов и транзисторов средней мощности (рис. 3). Тринисторы средней мощности выпус­каются в специальных корпусах, в которых поверхность монокристалла с про­водимостью р-типа припаяна к медному основанию корпуса, служащего анодом прибора. Корпус имеет болт (анодный вывод) для крепления к радиатору, ко­торый обеспечивает отвод тепла, выделяющегося в полупроводниковой структу­ре при работе прибора. Выводы катода и управляющего электрода — жесткого-типа и сделаны через керамический изолятор в верхней части корпуса.

Отечественной промышленностью выпускаются разнообразные полупровод­никовые приборы с четырехслойной структурой (главным образом тринисторы) , охватывающие широкий диапазон напряжений и токов. Внешний вид динистора. и некоторых типов тринисторов малой и средней мощностей отечественного про­изводства показан на рис. 3.

Динисторам и тринисторам малой и средней мощностей присваиваются обозначения, состоящие из следующих элементов.



Первый элемент обозначения — буква К ( или цифра 2) определяет, что исходным полупроводниковым материалом, из которого изготовлен прибор, слу­жит кремний.

Второй элемент обозначения — буква, указывающая подкласс прибора: Н — тиристоры диодные (динисторы), У — тиристоры триодные (тринисторы).

Третий элемент обозначения — цифра, определяющая мощность прибора. Диодные и триодные тиристоры малой мощности (с допустимым значением по­стоянного тока в открытом состоянии не более 0,3 А) обозначаются цифрой 1, а приборы средней мощности (с допустимым значением постоянного тока в открытом состоянии от 0,3 до 10 А) — цифрой 2.

Четвертый и пятый элементы обозначения — число от 01 до 99 определяет-порядковый номер разработки прибора.

Шестой элемент обозначения — буква русского алфавита от А до Я, ука­зывающая параметрическую группу в данном подклассе приборов.

Примеры обозначения: КН102А — динистор малой мощности, КУ101Е — три-нистор малой мощности, КУ201Л — тринистор средней мощности.

В радиолюбительской практике наибольшее применение находят дкнисторьр типа КН102, тринисторы типов К.У101, КУ201 и КУ202 с различными буквен­ными индексами. Могут встретиться устаревшие и снятые с производства при­боры, имеющие обозначения: динисторы Д227,. Д228 и тринисторы Д235, Д238: Основные параметры приборов Д227 и Д228 аналогичны или близки соответст-

вующим параметрам динисторов типа КН102. Приборы ти-лов Д235 и Д238 по значению прямого тока (постоянного я импульсного), а также по допустимой рассеиваемой мощ­ности эквивалентны тринисторам типов КУ201 и КУ202 .соответственно, однако максимальное прямое напряжение для приборов типа Д235 не превышает 100 В, а для при­боров Д238 150 В.

Условные графические обозначения динисторов и три-яисторов на электрических схемах показаны на рис. 4 .(ГОСТ 2.730 — 73*).



Рис. 4. Условные графические обоз­начения динистора VS1 и тринистора VS2 на электри­ческих схемах

2. Вольт-амперные характеристики диодных и триодных тиристоров



Режим работы динисторов и тринисторов хорошо иллюстрируется их статическими вольт-амперными характеристиками, из которых можно получить представление об основных параметрах этих приборов. На рис. 5,а приведена типовая вольт-амперная характеристика динистора. Здесь по горизонтальной оси отложено напряжение V между его анодом и катодом (анодное напряжение), а по вертикальной — ток I, протекающий через прибор. Область характеристики при положительных анодных напряжениях образует прямую ветвь, а при отри­цательных — обратную ветвь характеристики. На характеристике можно выде­лить четыре участка, обозначенные на рис. 5,а арабскими цифрами, каждый из -которых соответствует особому состоянию четырехслойной полупроводниковой структуры.



Рис. 5. Статические вольт-амперные характеристики динистора (а) и тринисто­ра (б)

Участок 1 характеристики соответствует закрытому состоянию (в прямом направлении) динистора. На этом участке сумма коэффициентов (a1 + a2)<l и через динистор протекает небольшой ток Iзc — ток прибора в закрытом состоя­нии. В закрытом состоянии сопротивление промежутка анод — катод прибора велико и обратно пропорционально значению тока Iзс. В пределах участка 1 увеличение анодного напряжения мало влияет на ток, пока не будет достигну­то напряжение (точка а характеристики), при котором в четырехслойной по­лупроводниковой структуре наступает лавинообразный процесс нарастания то--ка, и динистор переключается в открытое состояние. Прямое напряжение, соответствующее точке а характеристики, называется напряжением переключения Uпрк, а ток, протекающий при этом через прибор, — током переключения Iпрк [параметры режима, при которых М(a1 + a2) = 1].

В процессе переключения динистора в открытое состояние незначительное-увеличение тока сопровождается быстрым уменьшением напряжения на аноде прибора (участок 2), так как составляющие транзисторы переходят в режим-насыщения (рис. 1,6,0). Сопротивление динистора в пределах участка 2 стано­вится отрицательным.


Причину этого можно пояснить следующим образом. Произведение M(a1 + a2) в процессе переключения не может становиться боль­ше единицы, поскольку ток через динистор ,не меняет своего направления [см. равенство (1а)]. Таким образом, возрастание суммы a1 + a2 должно сопровож­даться снижением значения коэффициента умножения М, что возможно лишь при уменьшении напряжения на коллекторном переходе J2, т. е. на аноде ди­нистора.

Участок 3 вольт-амперной характеристики соответствует открытому состоя­нию прибора. В пределах этого участка все три р-n перехода полупроводнико­вой структуры включены в прямом направлении и относительно малое напря­жение, приложенное к прибору, может создать большой ток IОС в открытом со­стоянии, который при данном напряжении источника питания практически оп­ределяется только сопротивлением внешней цепи. Падение напряжения на от­крытом приборе — напряжение в открытом состоянии U0c, как и у обычного диода, незначительно зависит от прямого тока. Что касается значения наи­большего постоянного тока, который может пропускать прибор в этом режиме,, то, как обычно в полупроводниковых структурах, он определяется площадыо р-n перехода и условиями охлаждения прибора.

Динистор сохраняет открытое состояние, пока прямой ток IПр будет больше некоторого минимального значения — удерживающего тока Iуд (точка б на характеристике). При снижении тока до значения Iпр<IУд динистор скач­ком возвратится в закрытое состояние.

Таким образом, динистор может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Первое (участок 1) характеризуется большим напряжением на при­боре (Uзс) и незначительным током (Iзc), протекающим через него, а второе (участок 5) — малым напряжением на приборе (Uoc) и большим током (Iос). Рабочая точка на участке 2 вольт-амперной характеристики находиться не мо­жет.

Участок 4 характеризует собой режим динистора, когда к его электродам приложено напряжение обратной полярности U0бр (плюс к катоду, минус к аноду), — непроводящее состояние в обратном направлении.


Как отмечалось в § 1, режим полупроводникового прибора с четырехслойной структурой при подаче напряжения обратной полярности определяется запирающими свойства­ми р-n перехода J1 (рис. 1,а). Таким образом, обратная ветвь вольт-амперной-характеристики фактически определяет режим перехода J1, включенного в об­ратном направлении, и имеет такой же вид, как и обратная ветвь характерис­тики обычного кремниевого диода. Обратный ток Iобр мал и примерно равен теку в закрытом состоянии. Если увеличивать (по абсолютному значению)-напряжение U0бр, то при некотором его значении Uпр0б, называемым обрат­ным напряжением пробоя (точка в на участке 4), наступает пробой перехода J1, который может привести к разрушению прибора. Поэтому пода­вать на полупроводниковые приборы с четырехслойной структурой даже на короткое время обратное напряжение, близкое к UПроб, недопустимо. Наибольшее обратное напряжение, которое может выдерживать прибор, указывается в его паспортных данных и при эксплуатации не должно превышаться.

Рассмотрим теперь семейство статических вольт-амперных характеристик тринистора, изображенное на рис. 5,6. Изменяемым параметром семейства явля­ется значение тока Iу в цепи управляющего электрода.

Вольт-амперная характеристика при токе Iу = 0, по существу, представляет собой характеристику динистора и обладает всеми особенностями, рассмотрен-ными выше. При подаче управляющего тока и его последующем увеличении (I'"у>I"у>I'у>0) участки 1 и 2 характеристики укорачиваются, а напряже­ние переключения снижается (U"apH<U'прк<UпpK). Каждая характеристика, соответствующая большему току Iу, располагается внутри предшествующей. Наконец, при некотором значении управляющего тока I'"У вольт-амперная ха­рактеристика тринистора вообще «спрямляется» и становится подобной прямой ветви характеристики обычного кремниевого диода (рис 5,6). Соответствующее значение управляющего тока называется отпирающим током управления I/"У=IУ.ОТ.


Физически это означает, что при токе управления Iу>Iу.0т сумма (a1 + a2)=1 и средний переход J2 полупроводниковой четырехслойной структу­ры тринистора всегда оказывается в режиме насыщения. Следовательно, при подаче такого тока управления тринистор переключается из закрытого состоя­ния в открытое при любом значении прямого (анодного) напряжения, находя­щегося в пределах 0<Uпр<U8б.

Управляющий электрод тринистора выполняет роль своеобразного «под­жигающего» электрода (аналогично действию сетки в тиратроне). Причем уп­равляющее действие этого электрода проявляется лишь в момент включения тринистора: закрыть прибор или изменить значение тока, протекающего через открытый прибор, изменяя ток управления, невозможно. (Исключение составля­ет специальный тип приборов — запираемые тиристоры, которые открываются положительным, а закрываются отрицательным сигналами на управляющем элек­троде [2].)

Выключить открытый тринистор можно, как и динистор, только сделав пря­мой ток меньше значения удерживающего тока Iуд (рис. 5,6).

Способ открывания тринисторов током управляющего электрода имеет существенные достоинства, так как позволяет коммутировать большие мощно­сти в нагрузке маломощным управляющим сигналом (коэффициент усиления по мощности составляет примерно 5-102...2-103).

Важной особенностью почти всех типов полупроводниковых приборов с че­тырехслойной структурой является их способность работать в импульсных ре­жимах с токами, значительно превышающими допустимые постоянные токи открытом состоянии. Так, например, динисторы КН102 при постоянном токе не более 0,2 А допускают импульсный ток до 10 А, тринисторы типов КУ203 и КУ216 способны пропускать импульсные токи до 100 А при допустимом посто­янном токе 5 А и т. д.

При описании принципов работы ключевых устройств на динисторах и три-нисторах, кроме статических вольт-амперных характеристик приборов (рис. 5), пользуются и нагрузочными характеристиками. Применительно к устройствам с динисторами и тринисторами нагрузочная характеристика (нагрузочная прямая или линия нагрузки) отражает зависимость прямого тока IПр от напряжения на аноде прибора Uup при наличии в анодной цепи сопротивления нагрузки Rн (рис. 6,а).


Ее аналитическое выражение



получают на основании второго закона Кирхгофа.

Нетрудно заметить, что это действительно уравнение прямой линии, отсе­кающей на осях координат отрезки Uпр — Uпит при Iпр = о и IПр = Uпит/Rн при Uпр = 0.



Рис. 6. Схема тринистора с анодной на­грузкой в цепи постоянного тока (а) и на­грузочная характеристика (б)

На рис. 6,6 нагрузочная прямая изображена совместно с вольт-амперной характеристикой тринистора. Угол наклона линии нагрузки г|) прямо пропорцио­нален значению arctg 1/Rн и зависит от сопротивления нагрузки RH. Для нор­мальной работы ключевых устройств нагрузочная прямая должна пересекаться со всеми тремя участками прямой ветви вольт-амперной характеристики тринис­тора (или динистора), что обеспечивается соответствующим выбором напря­жения источника питания и сопротивления анодной нагрузки. На рис. 6,6 ли­ния нагрузки пересекается с вольт-амперной характеристикой, соответствующей току управляющего электрода Iу = 0 в точках K1, K2 и Кз. Точка Кь располо­женная на участке 1, характеризует устойчивое состояние устройства (рис. 6,а) в режиме «Выключено», когда тринистор закрыт. Точка Кз, расположенная на участке 3, характеризует устойчивое состояние в режиме «Включено» — тринис­тор открыт. Наконец, точка Кг на участке 2 соответствует неустойчивому со­стоянию устройства, в котором оно находиться не может, и поэтому переходит в одно из двух устойчивых состояний. На рис. 6,6 показано, что для открыва­ния тринистора при напряжении источника питания UПИт в цепь управляющего электрода необходимо подать ток Iy>I'У. При управляющем токе I'у участок 1 вольт-амперной характеристики укорачивается и в точке К' касается линии нагрузки. Вследствие нестабиль­ности этой точки тринистор скач­ком переключается в открытое со­стояние, определяемое устойчивой точкой Кз. В практических уст­ройствах для открывания трини­стора обычно выбирают ток управ­ляющего электрода равным Iу>IУ.ОТ, при этом вольт-амперная характеристика прибора спрямля­ется (рис. 5,6), что гарантирует устойчивое включение прибора не­зависимо от значения напряже­ния Uпит.



Если сопротивление анодной нагрузки Ян увеличивать, то угол наклона линии нагрузки -ф умень­шается, а рабочая точка Кз сме­щается вниз по участку 3 вольт-амперной характеристики прибора и в конце концов вообще выйдет за пределы этого участка. При таком сопротивлении анодной нагрузки прямой ток становится меньше значения удерживающего тока, и тринистор (или динистор) вновь возвратится в закрытое состояние.

Переход прибора из одного устойчивого состояния в другое всегда проис­ходит при кратковременном пересечении нагрузочной прямой с вольт-амперной характеристикой в одной точке противоположного состояния.

3. Основные электрические параметры приборов

Терминология, относящаяся к электрическим параметрам тиристоров, существенно отличается от терминологии, принятой в транзисторной технике. Определения и буквенные обозначения электрических параметров тиристоров ус­танавливаются ГОСТ 20332 — 84.

Электрические параметры тиристоров можно разделить на две группы: пер­вая характеризует пребывание приборов в одном из устойчивых состояний — закрытом или открытом, вторая — процесс переключения из одного какого-либо устойчивого состояния в другое. Рассмотрим некоторые основные параметры, которые непосредственно связаны с использованием приборов в радиолюбитель­ской практике.

Для лучшего понимания физической сущности параметров первой группы удобно воспользоваться статическими вольт-амперными характеристиками ти­ристоров (рис. 5).

1. Постоянное напряжение в закрытом состоянии (7ЗС — наибольшее прямое напряжение, которое длительное время может быть приложено к прибору и при котором он находится в закрытом состоянии, т. е. сохраняет состояние высокого сопротивления.

2. Постоянный ток в закрытом состоянии I3c — ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (обычно при напряжении изс).

3. Импульсное неповторяющееся напряжение в закрытом состоянии Uзс.нп — наибольшее мгновенное значение любого неповторяющегося напряжения на ано­де тиристора, не вызывающее его переключение из закрытого состояния в от­крытое.



4. Постоянное обратное напряжение U0бр — наибольшее напряжение, кото­ рое длительное время может быть приложено к прибору в обратном направ­лении и при котором он сохраняет состояние высокого сопротивления.

5. Постоянный обратный ток Iобр — обратный анодный ток при определен­ном обратном напряжении (обычно при напряжении U0бр).

Значения Uac, I3C, U0бР и I0бР в справочных данных указываются для оп­ределенной (обычно максимально допустимой) температуры окружающей среды, в которой работает прибор.

6. Обратное напряжение пробоя UПроб — обратное напряжение на приборе, при котором обратный ток через прибор становится больше допустимого зна­чения (точка в на рис. 5,а).

7. Напряжение переключения UПРк — прямое напряжение, соответствующее точке перегиба вольт-амперной характеристики (точка а на рис. 5,а).

8. Ток переключения IПРК — ток через прибор в момент переключения. Па­раметры Uпрк и IпРк указываются только для динисторов.

9- Удерживающий ток Iуд — наименьший прямой ток, который необходим для поддержания прибора в открытом состоянии (точка б на рис. 5,а).

10. Напряжение в открытом состоянии U0c — падение напряжения на при-боре, обусловленное током в открытом состоянии.

11. Ток в открытом состоянии Iос — наибольшее значение постоянного тока в открытом состоянии.

12. Повторяющийся импульсный ток в открытом состоянии Iос.и — наиболь­шая амплитуда периодически повторяющихся импульсов тока в открытом со­стоянии с определенной длительностью и скважностью.

13. Импульсное отпирающее напряжение U0т.и — наименьшая амплитуда импульса прямого напряжения с определенной длительностью фронта, обеспе­чивающая переключение динистора из закрытого состояния в открытое.

14. Постоянный отпирающий ток управления Iу.0т — наименьший постоян­ный ток управляющего электрода, необходимый для переключения тринистора из зaкрытого состояния в открытое.

15. Постоянное отпирающее напряжение управления Uу.01 — напряжение между управляющим электродом и катодом тринистора, соответствующее по­стоянному отпирающему току управления (измеряется непосредственно перед моментом отпирания прибора).



16. Импульсный отпирающий ток управления Iу.от.н — наименьшая ампли­ туда импульса тока управляющего электрода (с определенной длительностью), при которой обеспечивается переключение тринистора из закрытого состояния в открытое.

17. Импульсное отпирающее напряжение управления Uу.0т.и — значение амплитуды импульса напряжения на управляющем электроде (с определенной длительностью), соответствующее импульсному отпирающему току управле­ния.

18. Неотпирающее постоянное напряжение управления Uу.нот — наиболь­шее постоянное напряжение на управляющем электроде, не вызывающее пере­ключение тринистора из закрытого состояния в открытое.

19. Неотпирающий постоянный ток управления Iу.НОт — наибольший посто­янный ток в цепи управляющего электрода тринистора, не вызывающий его переключение из закрытого состояния в открытое.

20. Средняя рассеиваемая мощность РСР — сумма всех средних мощностей, рассеиваемых тиристором (указывается при определенной температуре окру­жающей среды или корпуса прибора).

Основные параметры, характеризующие процессы переключения (коммута­ции) динисторов и тринисторов из закрытого состояния в открытое и наобо­рот, следующие.

1. Время включения (динистора) tВкл — интервал времени между моментом, соответствующим уровню 0,1 амплитуды импульсного отпирающего напряжения, в моментом, когда прямой ток увеличивается до 0,9 его значения в открытом состоянии.

2. Время включения тринистора по управляющему электроду £у.Вкл — интер­вал времени между моментом, соответствующим уровню 0,1 амплитуды отпи­рающего импульса тока управления, и моментом, когда прямой ток увеличива­ется до 0,9 его значения в открытом состоянии.

3. Время выключения tвыкл — наименьший интервал времени между момен­том, когда прямой ток уменьшается до нуля (при переключении прибора из открытого состояния в закрытое), и моментом, когда повторно поданное прямое напряжение не возвращает прибор в открытое состояние.

4. Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии (du3c/dt)Kp — наибольшее значение скорости нарастания прямого напряжения, которое не вызывает переключение прибора из закрытого состояния в открытое.



5. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии (di0c/dt)Kp — наибольшее значение скорости нарастания прямого (анодного) тока в процессе отпирания, при которой тринистор остается в рабочем состоянии.

Тиристоры рассчитаны для работы в достаточно широком диапазоне темпе­ратур окружающей среды. Например, динисторы типа КН102 — на интервал ра­бочих температур от — 40 до +70° С, тринисторы КУ101 — от — 55 до +85° С, КУ104 и КУПО — от — 40 до +85°С, КУ201 и КУ202 — от --55 до +70°С, КУ203 — от — 60 до +120° С. Однако некоторые параметры тиристоров, как и других полупроводниковых приборов, несколько меняются в диапазоне темпера­тур. Характер изменения у всех типов тиристоров одинаков, и эти закономерно­сти полезно знать при практическом использовании приборов.

С повышением температуры окружающей среды несколько возрастают ток в закрытом состоянии и обратный ток, что приводит к некоторому снижению на­пряжения переключения и обратного пробивного напряжения, соответственно уменьшается значение удерживающего тока. При отрицательных температурах увеличивается минимальное значение отпирающего тока управления, а также вре­мя включения по управляющему электроду тринистора, несколько возрастает на­пряжение приборов в открытом состоянии.

Параметры динисторов типа КН102, а также некоторых типов тринисторов малой и средней мощностей, выпускаемых отечественной промышленностью, при­ведены в приложении. Данные других типов тринисторов читатель может найти в справочниках [3, 4].

Параметры тиристоров, приводимые в справочных данных, позволяют произ­вести выбор прибора в зависимости от статических и коммутационных характе­ристик устройства, для которого он предназначен. При этом следует иметь в ви­ду, что использование тиристоров при напряжениях и токах, равных предельно допустимым значениям, нежелательно, так как в этом случае любые случайные колебания режима работы устройств могут привести к повреждению приборов.

Глава 2

 



СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ  ДИОДНЫМИ

И ТРИОДНЫМИ ТИРИСТОРАМИ

4. Общие замечания

В большинстве устройств динисторы и тринисторы фактически выпол­ няют функции двухпозиционных переключателей, которые характеризуются большим сопротивлением в закрытом и малым — в открытом состояниях. Основ­ные требования, предъявляемые к приборам в таких устройствах: надежность сохранения закрытого или открытого состояния и быстрый переход из одного состояния в другое при подаче переключающих (управляющих) сигналов.

В тех устройствах, для которых время коммутации не имеет решающего начеяия, управление динисторами и тринисторами осуществляется выключате­лями, кнопками, контактами реле и т. д. В различных импульсных устройствах переключение приборов производится посредством коммутирующих импульсов с достаточно крутым фронтом.

Прежде чем рассмотреть способы управления приборами, отметим основные положения, общие как для динисторов, так и для тринисторов.

Если прибор относительно продолжительное время находится в закрытом состоянии под прямым напряжением, то такой режим называется ждущим. Для надежного сохранения закрытого состояния в ждущем режиме прямое (анодное) напряжение на динисторе или тринисторе (напряжение источника пи­тания Uпит) должно быть

Uпит<Uзс,                                                                                                 (2)

где изс — наибольшее постоянное прямое напряжение (приводится в справоч­ных данных), при котором гарантируется длительное пребывание прибора в за­крытом состоянии.

Значение Uзс в справочных данных указывается для определенной положи­тельной температуры окружающей среды.

Если закрытый динистор или тринистор подвержен действию наводок, бросков (всплесков) напряжения такой полярности, что прямое напряжение на нем возрастает, то исходное напряжение источника питания должно соответст­вовать условию

Uпит+Uном<Uзс.нп.

где Uпом — напряжение помехи, возникающее на приборе; U3с.нп — наибольшее мгновенное значение неповторяющегося напряжения на аноде прибора, не вы­зывающее его переключение.



Вообще, для повышения надежности условие (2) целесообразно выполнять с некоторым запасом; так, если принять UПит = 0,7 U3c, то надежность увеличит­ся в несколько раз [3]. Необходимо отметить, что в ждущем режиме через по­лупроводниковый прибор с четырехслойной структурой, а следовательно, и во внешней цепи протекает ток закрытого состояния прибора IЗс, нагружающий источник питания.

После кратковременной подачи включающего сигнала тиристор останется в проводящем состоянии, если прямой (анодный) ток IПр будет больше удержи­вающего тока Iуд, т. е. условием сохранения открытого состояния прибора яв­ляется неравенство

IпР>Iуд.                                                                                                    (3)

Ток через прибор при данном напряжении источника питания Uпит практи­чески определяется сопротивлением анодной нагрузки Ra:

IпР = IH — (Uпит — Uoc)/RH = UПИТ/Rн,                                                    (4)

где Uос — падение напряжения на открытом приборе; обычно Uос<Uпит.

Значение удерживающего тока используемого типа динистора или тринисто-ра ограничивает максимальное сопротивление анодной нагрузки RB mar, при ко­торой прибор может находиться в открытом состоянии. Действительно, исполь­зуя неравенство (3), получаем

Rн max < (Uпит —Uос)/Iуд.

Приборы малой мощности имеют удерживающий ток 1 ... 25 мА, а приборы средней мощности 100... 300 мА.

Итак, для длительного пребывания тиристора в открытом состоянии макси­мальный постоянный ток нагрузки Iнmах не должен превышать значение до­пустимого постоянного тока прибора в открытом состоянии Iос, а минимальный ток нагрузки Iн min быть больше удерживающего тока, т. е.

Iнтах<Iос; Iн min>Iуд.                                                                                   (5)

Для выключения динистора или тринистора необходимо каким-либо спо­собом кратковременно снизить прямой (анодный) ток до значения меньшего, яем значение удерживающего тока, т.


е. выполнить условие

IпР<Iуд.                                                                                                    (6)

В момент выключения тринистора ток управляющего электрода должен быть равным нулю.

 

5. Включение диодных тиристоров

Прямое напряжение (напряжение источника питания UПит) на закры­том динисторе в общем случае выбирается из условия (2). Обычно для этих приборов паспортное значение U3C соответствует Uзc=0,5 Uпрк.

Переключение динистора из закрытого состояния в открытое производится по аноду, т. е. необходимо тем или иным способом увеличить прямое напряже-ние так, чтобы оно превысило напряжение переключения:

UпР>Uпрк.

Следует иметь в виду, что значение напряжения UПрк для динисторов од-ной и той же группы может существенно (в 1,5... 2 раза) отличаться от одного образца прибора к другому.

Наиболее часто динисторы используются в устройствах, где их переключе­ние производится импульсами напряжения соответствующей полярности. В свя­зи с этим в справочных данных динисторов обычно вместо значения UПрк при­водится амплитуда импульсного отпирающего напряжения U0т.и, при которой гарантируется выполнение условия

Uпит + U0т.и > Uпрк

и, следовательно, надежное переключение данного типа динистора независимо от значения напряжения UПит, выбранного из условия (2).



Рис. 7. Способы переключения динисторов:

а — для отпирающего импульса положительной полярности; б — для отпирающего импульса отрицательной полярности; в — через импульсный трансформатор

Для динисторов типа КН102 значение Uот.и примерно в 3 ... 4 раза превы­шает напряжение ияс (см. приложение).

Переключение динисторов импульсами с достаточно коротким фронтом значительно повышает стабильность момента отпирания. Длительность отпираю­щих импульсов TOT обычно должна быть не менее нескольких микросекунд. На­пример, для динисторов типа КН102 — не менее 2 икс.

На рис. 7,а, б показаны способы переключения динисторов из закрытого со­стояния в открытое импульсами напряжения различной полярности с амплиту­дой Uвх.и>Uот.и.


Последовательное включение обычного диода VDit для ко­торого отпирающий импульс имеет обратное направление, увеличивает входное сопротивление устройств. При переключении динистора в проводящее состояние Обычный диод не препятствует прохождению тока через нагрузку. Такой диод выбирается по допустимому обратному напряжению в зависимости от«амшшту-ды входных импульсов Uвх.и и по максимальному току нагрузки.

Если амплитуда внешних входных импульсов недостаточна для переклгоче» ния динистора, то можно использовать схему с повышающим импульсным трансформатором Т1 (рис. 7,в). В этой схеме необходим диод VD2, который предотвращает прохождение тока от источника Uпит через нагрузку Rн и вто­ричную обмотку трансформатора, т. е. подключение нагрузки к источнику пи» тания при закрытом динисторе VS1.

6. Включение триодных тиристоров постоянным и импульсным токами

Тринисторы работают в режиме, при котором соблюдается условие (2), и переключаются из закрытого состояния в открытое током управляюще­го электрода.

По сравнению с динисторами тринисторы имеют значительные преимущест­ва, поскольку значение отпирающего тока управления не зависит от анодного напряжения и одинаковым управляющим сигналом можно коммутировать в широких пределах напряжения и токи, допустимые для выбранного типа прибо­ра. Кроме того, использование тринисторов более удобно и в схемном отноше­нии, так как не требуются какие-либо дополнительные меры для развязки це­пей входа (управления) и выхода (нагрузки).

В книге рассматриваются только тринисторы, у которых вывод управляю­щего электрода соединен с внутренней р-областью (рис. 1,а) и которые пере­ключаются из закрытого состояния в открытое при подаче на управляющий электрод сигнала положительной полярности по отношению к катоду.

Управляющий сигнал, отпирающий прибор, может представлять собой по­стоянный ток, полуволну (или часть ее) синусоидального напряжения или иметь форму импульсов сравнительно небольшой длительности.



Рассмотрим процесс включения тринистора при подаче в цепь управляю­щего электрода тока Iу>Iу.0т, начинающегося в некоторый момент времени fi. После подачи управляющего сигнала (тока) прибор переключается в откры­тое состояние не сразу — проходит некоторое время, прежде чем тринистор начинает открываться и ток через него достигает своего конечного значения, определяемого полным сопротивлением анодной цепи. На рис. 8 показаны от­пирающий сигнал (ток iу), длительность фронта которого для простоты при­нята равной нулю, и кривая нара­стания прямого тока, на которой отмечены две точки, соответствующие уровням 0,1 и 0,9 установившегося зна­чения тока IПр.



Рис. 8. График, иллюстрирующий процесс включения тринистора

Время, необходимое для того, чтобы ток тринистора достиг уровня 0,1 уста­новившегося значения, называется вре­менем задержки по управляю­щему электроду tу.зд. Времен­ной интервал между уровнями 0,1 и 0,9 установившегося значения тока называ­ется временем нарастания прямого тока tНр. За точкой 0,9Iпр ток растет значительно медленнее, это — время распространения тока на всю проводящую площадь перехода. Уровни, по которым отсчитываются указанные интервалы, показаны на рис. 8.

Время включения по управляющему электроду тринистора £у.ВКл, которое приводится в справочных данных: tу.вкл = tу.вд+ tнр. Обычно tу.3д в несколько раз больше tНр и практически определяет время tу,вкл.

В течение времени задержки Iу.3д во внутренней р-области накапливается минимальный заряд, достаточный для развития лавинообразного процесса на­растания тока через структуру. В этом интервале времени через тринистор про­ходит небольшой ток, в основном определяемый током управляющего электро­да (16). Процесс включения среднего перехода J2 (рис. 1,а) только развивает­ся, и, если в течение промежутка времени tу.3д снять управляющий сигнал, три­нистор возвратится в закрытое состояние. Время задержки в некоторых преде­лах зависит от тока управления Iу: возрастает при уменьшении тока Iу и не­сколько сокращается при увеличении тока до значения импульсного отпираю­щего тока Iу.от.и.


При токах Iу>Iу.от.и задержка tу.зд практически не меняется.

В конце интервала времени tу. зя прямой ток достигает значения тока удер­жания, и в полупроводниковой структуре начинает развиваться лавинообразный процесс нарастания тока. Этот процесс развивается сначала в ограниченной-области среднего перехода J2, непосредственно прилегающей к управляющему электроду; поэтому на начальном этапе нарастания тока (начало интервала времени tНр) средний переход J2 проводит лишь в пределах небольшой зоны,, которая, однако, быстро расширяется и в конце концов захватывает всю пло­щадь перехода. При больших токах управления, имеющих фронт с крутизной несколько ампер в микросекунду, зона начальной проводимости среднего пере­хода увеличивается. Скорость распространения процесса включения в среднем (коллекторном) переходе зависит от конструкции управляющего электрода, структуры и составляет примерно 1 ... 10 мм/мкс.

Если скорость нарастания тока через открытый триниетор велика по срав­нению со скоростью расширения включившейся части перехода J2, то в послед­нем возникают точки с весьма высокой плотностью тока, что приводит к ло­кальному интенсивному разогреву этих участков полупроводниковой структуры, причем температура упомянутых участков может повыситься до температуры плавления кремния и разрушить прибор.

Наибольшая (критическая) скорость нарастания прямого тока указывается тз справочных данных некоторых типов тринисторов. Даже при небольших, но регулярно повторяющихся превышениях критического значения (di0cfdt)Kp в по­лупроводниковой структуре возникают остаточные изменения, и после некоторо­го времени работы прибор может выйти из строя.

Время распространения у тринисторов не нормируется. У приборов средней мощности, рассчитанных на работу с относительно большими токами (десятки ампер), время распространения обычно несколько превышает время нарастания, а у маломощных тринисторов — примерно равно ему. На время нарастания tar и время распространения значение управляющего тока практически не влияет.



Время включения по управляющему электроду £у.Вкл у маломощных три­нисторов составляет 1 ...2 мкс, у приборов средней мощности доходит до 10мкс. Приборы, специально предназначенные для импульсного режима работы, имеют меньшее значение ty.SKn. Например, у тринисторов КУ104 оно не превышает 0,3 мкс, а у тринисторов КУ216 0,15 мкс.

Для уверенного отпирания тринистора от источника постоянного тока зна­чения управляющего тока Iу и управляющего напряжения Uy выбираются из условий

                                                                                                                                                             (7)

тде Iу.от — постоянный отпирающий ток управления; Uу.0т — постоянное отпи­рающее напряжение управления; Ру — допустимая средняя мощность, рассеи­ваемая на управляющем электроде.

В цепях постоянного тока тринисторы могут отпираться различными спосо­бами. Конкретный способ управления во многом зависит от функций устройст­ва. Один из наиболее простых способов, при котором источник анодного пита­ния Uпит одновременно используется и для получения необходимого отпираю­щего тока в цепи управляющего электрода, иллюстрируется схемами на рис. 9,а — в.

В схеме рис. 9,а триниетор VS1 включается сразу при подаче анодного пи­тания, если суммарное сопротивление анодной нагрузки и резистора R1 обес­печивает ток управляющего электрода

Iy=UnHT/(RH+Rl)>Iy.OT.

После открывания прибора напряжение на аноде снижается до значения Uoc, все напряжение источника питания практически оказывается приложенным к на-трузке и в цепи управляющего электрода начинает протекать незначительный ток, равный Iу = Uoc/R1.

Для отпирания тринистора в устройстве, показанном на рис. 9,6, необходи­мо кратковременно нажать кнопку S1. Если при этом значение тока Iу, протекающего в цепи управления, удовлетворяет условию (7), то триниетор пере­ключится в открытое состояние. Обычно для надежного включения достаточна через цепь управляющего электрода пропустить ток Iу= (1 ... 1,1)Iу.от, для че­го сопротивление резистора R1 (рис. 9,6), ограничивающего ток управляющего электрода, рассчитывается по формуле



R1 = (0,9... 1)Uпит/Iу.от.

Для схемы рис. 9,а рассчитанное по формуле (8) сопротивление резистора Ri должно быть уменьшено на значение сопротивления анодной нагрузки RH.



Рис. 9. Способы включения тринисторов от источника постоянного то-ка

Резистор R2 (рис. 9,6) обеспечивает гальваническую связь управляющего электрода с катодом, что увеличивает устойчивость работы тринистора в жду­щем режиме (особенно при повышенной температуре окружающей среды). Ре­комендуемое сопротивление этого резистора указывается в справочных данных некоторых типов тринисторов. Обычно у маломощных приборов оно составляет несколько сотен ом, а у приборов средней мощности — примерно 50... 100 Ом.

В схеме рис. 9,в триниетор открывается и через нагрузку начинает про­ходить ток при размыкании выключателя S1. Такой способ отпирания тринисто­ра менее экономичен, чем два предыдущих, поскольку от источника питания по­стоянно потребляется ток, равный Unиm/R1; при закрытом приборе он протекает через замкнутые контакты Si, а при размыкании выключателя — через цепь уп­равляющий электрод — катод тринистора. Сопротивление резистора R1 рассчи­тывается по формуле (8).

Широкое распространение получили импульсные способы управления три-нисторами, которые являются наиболее экономичными и позволяют фиксировать момент включения прибора с высокой точностью. Фактически схема рис. 9,6 также иллюстрирует импульсный способ отпирания — длительность управляю­щего импульса равна времени, пока замкнуты контакты кнопки S1. При импульс­ном управлении используются отпирающие импульсы тока Iу.0т.и, амплитуда которых может быть значительно большей постоянного отпирающего тока Iу.от, но, несмотря на это, рассеиваемая средняя мощность на управляющем электро­де будет мала, поскольку включающие импульсы действуют в течение корот­кого интервала времени.

Соотношениями (7) можно руководствоваться и при импульсном управле­нии, если длительность отпирающих импульсов не менее примерно 100 мкс.


При более коротких импульсах ток управляющего электрода следует увеличивать. В справочных данных большинства типов тринисторов приводится значение ампли­туды отпирающих импульсов тока управления Iу.от.и, обеспечивающее пере­ключение прибора из закрытого состояния в открытое при любом анодном на­пряжении не выше максимально допустимого, а также значение импульсного отпирающего напряжения на управляющем электроде Uу.0т.м. Таким образом, при импульсном способе отпирания амплитуды импульсов тока управления IУ.И и управляющего напряжения Uу.и должны выбираться по соотношениям

                                                                                                                               (9)

где Iу.и max и Uу.и max — максимально допустимые импульсные значения тока и напряжения управляющего электрода соответственно; Р7.я — допустимая им­пульсная мощность на управляющем электроде.

Длительность импульсов Iу.от.н и Uу.от.и, как правило, указывается в спра­вочных данных тринисторов. Следует помнить, что длительность отпирающих (управляющих) импульсов ту всегда должна превышать время включения tвкл прибора, т. е. ту>tВкл. Минимальное значение ту зависит от характера анодной нагрузки, так как за время ту прямой ток должен успеть возрасти до уровня, большего тока удержания; при чисто активной нагрузке достаточно иметь ту=(1,5... 2)tу.вкл.

Для открывания тринисторов приемлемы импульсы положительной поляр­ности любой формы. Однако в тех случаях, когда необходимо получить мини­мальное и стабильное (в диапазоне температур) время включения, а также уменьшить рассеиваемую на приборе мощность при переключении, следует ис­пользовать отпирающие импульсы с амплитудой, близкой к значению Iу.и max, и крутизной фронта около 3... 5 А/мкс. При таких параметрах управляющего импульса и при постоянной окружающей температуре нестабильность момента отпирания от импульса к импульсу не превышает сотых долей микросекунды.

Некоторые способы импульсного отпирания тринисторов показаны на рис. 10.


В схеме рис. 10, а емкость разделительного конденсатора Ci должна быть такой, чтобы к концу действия включающего импульса ту в цепи управляюще­го электрода поддерживался бы достаточный для открывания прибора ток.

Обычно емкость конденсатора С1 выбирается в пределах 0,01 ... 0,05 мкФ. Диода VDi предотвращает появление отрицательного импульса на управляющем элект­роде при разряде конденсатора после окончания импульса ту.



Рис. 10. Способы включения тринисторов импульсным сигналом

Связь источника включающих импульсов с управляющим электродом три-ямстора часто выполняется через импульсный трансформатор (T1 на рис. 10,б). Трансформаторная связь имеет ряд преимуществ: обеспечивает развязку уп­равляющего электрода тринистора с источником управляющих импульсов (тран­зисторный усилитель VTi на рис. 10,6); позволяет изменять полярность и повы­шать (или уменьшать) амплитуду импульсов, подаваемых на управляющий? электрод; обеспечивает гальваническую связь управляющего электрода с като­дом прибора.

Для ограничения амплитуды тока Iу.и до безопасного для тринистора значе­ния в цепь управляющего электрода (при необходимости) следует включать ре­зистор (Ri на рис. 10,а,б), сопротивление которого рассчитывается по формуле-

                                                                                                                          (10)

где Uвх.и — амплитуда входного управляющего импульса.

В ряде устройств необходимо обеспечить включение тринистора при неко­тором фиксированном уровне входного сигнала. Для этого в цепь управления-тринистора можно последовательно включить ключевой полупроводниковый при­бор (стабилитрон, динистор), имеющий постоянный порог срабатывания. При­мер цепи управления с использованием стабилитрона VD{ показан на рис. 10.в. Тринистор VS1 с цепью управления такой структуры всегда будет включаться в те моменты, когда внешнее входное напряжение Uвх.и достигнет напряжения-пробоя Ucт стабилитрона VD1. Последовательный резистор R} ограничивает ток управляющего электрода (ставится при необходимости).



Параметры стабилитрона должны обеспечивать требуемый режим цепи уп­равления тринистора, т. е. ток стабилизации Iст и напряжение стабилизации-Uст должны удовлетворять условиям

                                                                                                          (11)

где UR1=IуR1 — падение напряжения на ограничивающем резисторе в цепи уп­равления.

В цепях управления тринисторов малой мощности можно использовать, на­пример, стабилитроны типов Д814А-Б, КС156А, КС168А и др., а в цепях три-нисторов средней мощности — типа Д815Д-Ж, а также динисторы типа КН102А-В.

В качестве источников, формирующих управляющие импульсы амплитудой-до нескольких ампер и длительностью примерно до 10...50 мкс, могут быть использованы различные релаксационные генераторы на обычных и однопере-ходных транзисторах (см. § 8). Часто импульсное управление тринисторами осуществляется с помощью ЯС-цепей, в которых в качестве включающего сиг­нала используется импульс тока разряда конденсатора через цепь управляюще­го электрода.

Если в устройстве, где используется маломощный тринистор, в цепи уп­равления возникают импульсные помехи, амплитуда которых превышает значе­ние неотпирающего импульсного напряжения управления Uу.нот.и, то может произойти ложное включение прибора. Для повышения помехоустойчивости не­обходимо свести к минимуму индуктивные и емкостные связи между силовой и управляющей цепями, что достигается рациональным монтажом цепи управле­ния. Хорошую помехозащищенность имеет цепь управления тринистора, пока­занная на рис. 10,в, если уровень помехи меньше напряжения пробоя стабили­трона, т. е. uпом<Uст.

 

7. Включение триодных тиристоров переменным током.

Фазовое управление

Управление тринисторами в цепях переменного тока имеет ряд осо­бенностей. Основное условие, которое необходимо выполнять при любом сно-собе управления приборами, состоит в том, что отпирающие сигналы должны подаваться на управляющий электрод только в те моменты, когда напряжение на аноде положительное относительно катода, т.


е. управляющие сигналы долж­ны быть синхронизированы с частотой сети переменного тока. Кроме того, на­пряжение на управляющем электроде никогда не должно становиться отрица­тельным по отношению к катоду, если такой режим не разрешен для выбран­ного типа прибора. В устройствах, где есть вероятность возникновения отрица­тельного напряжения на управляющем электроде тринистора, для ограничения этого напряжения следует использовать последовательно или параллельно включенные диоды.



Рис. 11. Отпирание тринисторов в цепях переменного тока и способы фазового управления:

а — схема с регулированием угла задержки до 90; б — графики, иллюстрирующие принцип регулирования; в — схема с фазосдвигающей RС-цепью

На рис. 11,а показан простой способ получения управляющего сигнала, при котором, как и на постоянном токе (рис. 9,а), используется напряжение источ­ника анодного питания. Управляющий электрод тринистора через постоянный резистор RI и переменный R2 подсоединен к аноду, и таким образом обеспечивается нужная полярность напряжений на аноде и на управляющем электро­де относительно катода. Действительно, когда на аноде действует положитель­ная полуволна напряжения источника питания u=Umsinwt, то потенциал уп­равляющего электрода относительно катода также положителен. При закорочен­ном резисторе R2 тринистор отпирается в течение каждого положительного по­лупериода напряжения на аноде в момент, когда мгновенное значение анодного напряжения «Пр достигает значения, при котором будет выполняться условие



Если сопротивление резистора Ri сравнительно невелико, то прибор включается в самом начале положительного полупериода анодного напряжения и остается открытым до конца этого полупериода. При открытом приборе напряжение на его аноде падает до значения U0c, напряжение источника питания оказывается приложенным к нагрузке, управляющий ток резко уменьшается и становится равным Iy = Uoc/Ri (рис. 11,б).

Диод VDi защищает цепь управляющего электрода тринистора от обратно­го напряжения при отрицательных полупериодах напряжения на аноде.


Мак­ симально допустимое обратное напряжение этого диода должно превышать, амплитудное значение напряжения источника питания Um.

Если во время положительного полупериода напряжения на аноде в ин­тервале 0... 180° изменять момент включения тринистора, то ток через прибор и нагрузку будет протекать только в течение какой-то определенной части по­лупериода (рис. 11,6). Так, при небольшой задержке прибор может быть от­крыт в начале положительного полупериода напряжения, при больших задерж­ках — в любой точке полупериода и, наконец, — в самом его конце. Тем самым можно регулировать средний за период ток, проходящий в нагрузке, от макси­мального значения почти до нуля. Такой способ управления получил название-фазового регулирования (или фазового управления), посколь­ку при этом изменяется сдвиг фазы между началом положительного полуперпо-да анодного напряжения и началом протекания прямого тока (рис. 11,6). Обыч­но фазовый сдвиг ф, называемый углом отпирания или углом за­держки, выражается в градусах или радианах. В реальных устройствах зна­чение ф может регулироваться примерно от 5 до 170°.

Простейшая схема устройства, позволяющего производить фазовое управ­ление тринистором, приведена на рис. 11,а. Здесь изменение угла отпирания осу­ществляется переменным резистором R2. Сопротивление резистора R1 должно обеспечивать включение тринистора в самом начале полупериода (резистор R?., закорочен) и может быть рассчитано по формуле

                                                                                                                           (12)

где Uт — амплитуда напряжения источника питания.

Если резистор Ri рассчитан по формуле (12), то при R2 = Q тринистор отпи­рается с углом задержки ф=5°. При включении резистора R2 и последующем увеличении его сопротивления тринистор будет открываться при больших зна­чениях анодного напряжения, т. е. с большими углами задержки ф, пока, нако­нец, при некотором значении сопротивления R2 прибор не откроется в тот мо-



мент, когда анодное напряжение станет равным амплитудному значению напря­жения источника. Управляющий ток в этот момент

Iу = Um/(R1 + R2)>Iу.от

и угол задержки ф станет равным 90°. Очевидно, что большего угла задержки в цепи, показанной на рис. 11,а, получить невозможно. Поэтому такое устрой­ство позволяет изменять угол задержки примерно от 5 до 90° и обеспечивает возможность регулировки среднего тока в нагрузке в пределах 100... 50% мак­симального значения.

Более широкие пределы регулирования можно получать, если на управляю­щий электрод подавать напряжение, сдвинутое по фазе относительно анодного напряжения. Пример простой схемы с фазосдвигающей ЯС-цепью показан на рис. 11,в. Напряжение на управляющий электрод тринистора VSi подается с конденсатора С1 через диод VD1. При отрицательном полупериоде анодного на­пряжения конденсатор С1 через диод VD2, резистор R{ и сопротивление нагруз­ки Rн заряжается до напряжения Um (полярность этого напряжения показана на схеме в скобках). Во время положительного полупериода конденсатор C1 че­рез резисторы Ri, Rz и сопротивление нагрузки перезаряжается от напряжения — Uт до некоторого положительного напряжения Uc1 (полярность которого на рис. 11,0 показана без скобок), достаточного для открывания тринистора. Вре­мя перезаряда конденсатора определяется постоянной времени (R1+R2)C1. Из­меняя постоянную времени (с помощью переменного резистора R2), можно в широких пределах регулировать момент включения тринистора относительно начала положительного полупериода анодного напряжения, т. е. менять угол задержки ф. Пределы изменения угла задержки могут быть примерно 5 ... 170°, что позволяет регулировать средний ток в нагрузке от максимального значения почти до нуля.

В рассмотренных схемах (рис. 11,а, в) используется так называемый ампли­тудно-фазовый способ управления. При таком способе на управляющий элект­род тринистора поступает напряжение, которое относительно медленно достига­ет уровня, необходимого для включения прибора.


Амплитудно- фазовый способ управления характеризуется невысокой стабильностью момента включения три­нистора (угла отпирания), так как этот момент зависит от минимального зна­чения отпирающего тока Iу.0т min, который, в свою очередь, заметно изменяется при колебаниях температуры и смене тринистора.

Значительно лучшую стабильность угла отпирания имеет импульсно-фазо-вый способ управления, при котором включение тринистора осуществляется им­пульсами, задержанными относительно начала положительного полупериода напряжения на аноде. Для формирования управляющих импульсов использует­ся комбинация из фазосдвигающей RС-цепи и ключевого прибора (динистора, стабилитрона и др.). Некоторые схемы такого типа описаны в следующих гла­вах.

 

8. Генератор управляющих импульсов на однопереходном транзисторе

В цепях управления тринисторами широко используются различные ге­нераторы импульсов. Простые и надежные генераторы управляющих импульсов могут быть выполнены на однопереходных транзисторах (ОПТ). Такие генераторы используются во многих устройствах, которые описываются в следующих главах, поэтому рассмотрим их работу подробнее.

Однопереходным транзистором называют трехэлектродный полупроводни­ковый прибор, обладающий входной вольт-амперной характеристикой с ярко вы­раженным участком отрицательного сопротивления (рис. 12,с). Однопереходный транзистор, схематическое устройство которого показано на рис. 12,6, имеет три вывода: эмиттер (Э), база 1 (Б,) и база 2 (Б2). Однопереходные транзисто­ры изготавливаются из кремниевого стержня n-типа, на торцах которого сделаны выводы Б1 и Б2. На некотором расстоянии от конца стержня с выводом Б2 со-вдают полупроводниковую область р-типа, и, таким образом, образуется р-n пе­реход, единственный в такой структуре, откуда и происходит название данного прибора. Вывод от р-области служит эмиттером Э. На рис. 12,в показано ус­ловное графическое обозначение ОПТ.

Если на выводы Б1 и Б2 подать напряжение UБ1Б2 , полярность которого показана на рис. 12,6, а напряжение на эмиттере Uэ установить равным нулю, то переход эмиттер — база 1 окажется включенным в обратном направлении и вход ОПТ будет находиться в закрытом состоянии.


В таком режиме участок стержня л-типа между базами Б{ и Б2 обладает сопротивлением RБ1Б2 в не­сколько килоом и имеет линейную вольт-амперную характеристику, как обычный резистор. При подаче положительного напряжения на эмиттер Uэ>0 запираю­щее напряжение на переходе уменьшается, и при некотором определенном на­пряжении Uэ=Uэвкл переход включается в прямом направлении и сопротив­ление между эмиттером и базой 1 уменьшается до 5... 20 Ом. Вход ОПТ пе­реключается в открытое состояние. Для открывания прибора эмиттерный ток должен быть не менее определенного значения, которое называется т о к о ш включения IЭвкл (рис. 12,а).



Рис. 12. Однопереходный транзистор:

в — входная вольт-амперная характеристика; б — принцип устройства; в — основная схема релаксационного генератора на однопереходном транзисторе; г — формы кривых напряже­ний на эмиттере и базе 1

Отпирающее напряжение на эмиттере Uэ Вкл изменяется пропорционально междубазовому напряжению:

UЭвкл = n UБ1Б2,

где n — коэффициент передачи, который не зависит ни от напряжения пита­ния, ни от окружающей температуры и определяется только конструкцией са­мого прибора. Чтобы вновь закрыть однопереходный транзистор (при наличии нагрузки в цепи базы 1), необходимо уменьшить эмиттерный ток до некоторого значения, называемого током выключения IЭ выкл.

Отечественной промышленностью выпускаются однопереходные транзисторы типов КТ117А — КТ117Г. Основные параметры этих приборов:

Междубазовое напряжение UБ1Б2......<30 В

Коэффициент передачи n.........0,5...0,85

Ток включения 1Э ВКЛ..........0,5...20 мкА.

Междубазовое сопротивление RБ1Б......4...9 кОм

Ток выключения IЭ выкл .........1...12 мА

Средний ток эмиттера IЭ........<50 мА

Амплитуда имлульса тока эмиттера IЭи . . . . sg: I A

В цепях управления тринисторами ОПТ работает в схеме релаксационно­го генератора (рис. 12,в), принцип действия которого сводится к следующему. После подачи напряжения питания Unm конденсатор Ci начинает заряжаться через резистор R1. Напряжение с конденсатора, которое нарастает по экспо­ненте, подается на эмиттер ОПТ.


В момент, когда это напряжение достигает порога отпирания uс1 = UЭвкл, ОПТ переключается в открытое состояние и конденсатор C1 разряжается через цепь эмиттер — база 1 и резистор Rs- По мере разряда конденсатора эмиттерный ток и напряжение на эмиттере ОПТ уменьшаются. Когда так разряда конденсатора снижается до значения Iэ выкл, ОПТ выключается. Затем конденсатор начинает вновь заряжаться, и цикл повторяется.

Напряжение на эмиттере «э будет иметь пилообразную форму, а на ре­зисторе Rз, включенном в цепь базы 1, получаются импульсы положительной полярности (рис. 12,г) с амплитудой I3Rs, которые используются для управле­ния тринистором. Резистор R3 также ограничивает ток разряда конденсатора Ci до безопасного для ОПТ значения.

Сопротивление резистора Rt должно обеспечивать автоколебальный режим,-генератора и выбирается из условия

                                                                                                                      (13)

Если пренебречь временем разряда конденсатора Ci, то период повторения импульсов генератора будет определяться продолжительностью заряда конден­сатора до напряжения UЭвкл и рассчитывается по формуле

                                                                                                                                                 (14)

При значении n = 0,63, которое может считаться примерно номинальным, получим T=R1C1.

Генераторы с однопереходными транзисторами попользуются для форми­рования импульсов с частотами повторения до нескольких десятков килогерц.

Если выход генератора соединен непосредственно или через резистор с уп­равляющим электродом тринистора, то сопротивление резистора R3 должно ог­раничиваться таким образом, чтобы падение напряжения на нем, обусловлен­ное междубазовым током при закрытом ОПТ, не превышало неотпирающего (.напряжения управления тринистора, т. е. не вызвало бы ложного включения ярибора. С учетом этого требования сопротивление резистора R3 следует вы­бирать из условия



                                                                                                                               (15)

Обычно сопротивление резистора Rs выбирается равным примерно 100 Ом.

Если выполнить условие (15) не удается, то импульс с генератора может быть подан на управляющий электрод тринистора с помощью емкостной или трансформаторной связи. В последнем случае первичная обмотка импульсного трансформатора включается в цепь базы 1 вместо резистора R3.

Коэффициент передачи т], а следовательно, и напряжение включения UЭвкл мало зависят от температуры. Однако если необходима высокая стабильность напряжения включения, то для термостабилизации UЭвкл в диапазоне темпе­ратур последовательно в цепь базы 2 включается резистор (R2 на рис. 12,«). Сопротивление этого резистора можно определить из соотношения

                                                                                                                             (16)

Обычно сопротивления резисторов R2 и R3 значительно меньше междуба­зового сопротивления (т. е. R2<RБ1Б2 и R3<RБ1Б2), и поэтому напряже­ние включения почпрежнему линейно зависит лишь от междубазового напря­жения однопереходного транзистора Uэ вкл=nUБ1Б2 =nUпит.

В настоящее время освоен выпуск гибридных тиристоров типа КУ106. У этих приборов в общем корпусе смонтированы маломощный тринистор и одно-переходный транзистор. База 1 однопереходного транзистора непосредственно соединена с управляющим электродом тринистора внутри корпуса. Парамет­ры гибридных тиристоров КУ106 приведены в приложении.

 

9. Скорость нарастания прямого напряжения

Если прямое напряжение на закрытом полупроводниковом приборе с четырехслойной структурой нарастает со слишком большой скоростью du3C/dt, то прибор может переключиться в проводящее состояние без управляющего сигнала, т. е произойдет неконтролируемое открывание. Переключение в этом случае происходит при прямом напряжении, меньшем чем UПрК. Такое явление называется переключением за счет «эффекта du3C/dt».



Самопроизвольное переключение за счет «эффекта du3cfdt» может произой­ти, если в устройствах (особенно импульсных), где используются тиристоры, в Чепях анодного питания возникают ревкие скачки (всплески) напряжения, импульсные помехи, а также различного рода колебания в цепях переменного то­ка. Кроме того, такое переключение может наблюдаться и при переходных ре­жимах, например в момент включения источника питания при резкам возра­стании напряжения на аноде закрытого прибора. Чувствительность приборов к «эффекту du3C/dt» возрастает с увеличением температуры.

Неконтролируемое переключение за счет «эффекта du3c/dt» является неже­лательным явлением, нарушающим нормальную работу устройств. Отметим, что «эффект du3c/dt», как полезный, используется при импульсном открывании ди-нисторов, в то же время для тринисторов такое переключение, неоднократно повторяющееся, может послужить причиной выхода приборов из строя.

Рассмотрим механизм этого явления. На рис. 13,а изображен полупровод­никовый прибор с четырехслойной структурой с учетом емкости Сг среднего пе­рехода, которую, как это видно из рис. 13,6, можно представить суммой емко­стей коллекторных переходов составляющих транзисторов. Как отмечалось ра­нее, при закрытом приборе прямое напряжение практически оказывается при­ложенным к среднему переходу J2, включенному в обратном направлении. При возрастании анодного напряжения емкость С2 заряжается током icz, протека­ющим через два крайних перехода J1 и J3, включенных в прямом направлении. Емкости переходов J1 и J3 шунтируются соответственно малыми сопротивлени­ями этих переходов и по этой причине на рис. 13,с, б не показаны. Ток заря­да емкости С2 одновременно является током базы обоих составляющих тран­зисторов (рис. 13,е) и играет ту же роль в открывании, что и ток управления. При некотором значении зарядного тока может произойти возрастание коэффи­циентов передачи а, которое будет достаточным для перехода транзисторов VT1 и VT2 в режим насыщения, т.


е. для переключения четырехслойной полу­проводниковой структуры в открытое состояние.

Зарядный ток емкости С2 :



зависит от емкости С2 и от скорости нарастания напряжения du3c/dt на этой емкости, т. е. на аноде прибора. Следовательно, достаточно быстрое нарастание анодного напряжения даже при относитель­но небольшом прямом напряжении может довести ток ic2 до критического значения и включить прибор.



Рис. 13. Схематическое устройство полупроводникового прибора с четырехслой-пой структурой с учетом емкости среднего перехода (а) и представление при­бора в виде двухтранзисторной схемы (б, в)



Рис. 14. Схема подсоединение конденсатора для уменьшений значения du3C/dt на аноде три -нистора

В некоторых типах тринисторов влия­ние «эффекта du3C/dt» снижают путем шун­тирования эмиттерного перехода в самой полупроводниковой структуре, что приводит к возрастанию значения тока управления Iу.от.

В ряде случаев действие «эффекта duac/dt» удается уменьшить схемными спо­собами. Для снижения скорости нарастания анодного напряжения между анодом и ка­тодом тринистора, если это возможно, под­ключается небольшой конденсатор. Способ подсоединения такого конденсатора Ci по­казан на рис. 14. При возрастании напряжения на аноде тринистора конденсатор C1 заряжается через сопротивление нагрузки Ra и диод VDit и тем самым сни­жается скорость нарастания прямого напряжения, которая в этом случае опре­деляется постоянной времени RнC1.

При известном значении сопротивления нагрузки Rs емкость конденсатора C1 можно определить из формулы



После открывания тринистора VS1 конденсатор С1 разряжается через не­го и резистор R1, который ограничивает разрядный ток до допустимого для тринистора значения. Сопротивление резистора R1 выбирается из условия

R1>UПИТ(Ioc.n—IH)                                                                                   (17)

где Iн — ток нагрузки.

Провода, соединяющие конденсатор С1, диод VD1 и тринистор VS1, долж­ны быть по возможности короче, чтобы свести к минимуму влияния паразит­ных индуктивностей.



Для некоторых типов тринисторов влияние емкостного тока удается сни­зить включением конденсатора емкостью примерно 1000... 2000 пФ между уп­равляющим электродом и катодом прибора (на рис. 14 конденсатор С' пока­зан штриховой линией).

Устойчивость работы тринистора к «эффекту du3C/dt» (особенно при повы­шенных температурах) улучшается, если сопротивление по постоянному току внешней цепи между управляющим электродом и катодом не превышает нес­кольких десятков ом. Наконец, для повышения устойчивости на управляющий электрод можно подать небольшое обратное смещение (обычно до 1 В), если это допустимо для используемого типа прибора.

В справочных данных тринисторов, предназначенных для импульсного ре­жима работы, указывается критическая скорость нарастания напряжения в за­крытом состоянии (например, для приборов типа КУ203 она составляем 20 В/мкс, для приборов типа КУ216 50 В/мкс), которая не должна превш-шаться при использовании приборов.

 

10. Выключение диодных и триодных тиристоров

Под процессом выключения тиристора понимают переход прибора из открытого (проводящего) состояния в закрытое (непроводящее). Однако время спада прямого тока до нуля не определяет еще полного восстановления закры­того состояния прибора. До повторной подачи на анод полного прямого на­пряжения необходима дополнительная выдержка, чтобы концентрация остаточ­ных зарядов в базовых областях снизилась до минимума. Таким образом, дли­тельность процесса выключения (закрывания) тиристора разделяется на два интервала: время спада tc прямого тока до нуля и время восстановления за­крытого состояния tB. Время восстановления tв определяется скоростью расса­сывания остаточных зарядов в базовых областях и зависит от ряда факторов. Так, например, время восстановления увеличивается с повышением окружающей температуры (температуры перехода), с ростом прямого тока через прибор пе­ред моментом его выключения, при увеличении скорости опадания прямого то­ка, т.


е. уменьшении времени tc. При подаче на прибор в момент выключения обратного напряжения время восстановления несколько сокращается. Время выключения tвыкл, которое приводится в справочных данных дини-сторов и тринисторов, определяет время восстановления запирающих свойств приборов в прямом направлении, т. е. tвыкл = tс+tв. На прибор в течение про­межутка t<tвыкл нельзя повторно подавать прямое напряжение, поэтому при использовании приборов в различных устройствах время, которое предоставля­ется для восстановления их управляемости, должно быть всегда больше, чем время выключения.

Время выключения у маломощных приборов составляет примерно 3... 40 мкс, а у приборов средней мощности 15... 150 мкс.

Продолжительность процесса выключения наряду со временем включения характеризует быстродействие приборов, а так как время выключения пример­но в 5... 30 раз больше времени включения, то именно значение £Выкл и огра­ничивает практически максимальную частоту коммутации, при которой прибор может быть использован.

Для выключения динисторов и тринисторов необходимо выполнить усло­вие (6), т. е. перевести прибор в режим, при котором ток через прибор стано­вится меньше удерживающего тока или равным нулю (для тринисторов в этом случае управляющий ток Iу должен быть равен нулю).

Существуют два основных ,метода выключения приборов:

1) снижением прямого тока до значения, меньшего Iуд, или размыканием внешней цепи;

2) кратковременной подачей на анод прибора обратного напряжения. Способы выключения приборов в устройствах, питающихся от источника постоянного напряжения, показаны на рис. 15. Первый способ выключения ил­люстрируется схемами рис. 15,а — г, второй способ — схемой рис. 15Д

Ток через прибор может быть прерван размыканием цепи или шунтирова­нием прибора. В схеме рис. 15,а выключение тринистора происходит при крат­ковременном размыкании анодной цепи, что осуществляется нажатием кноп­ки St.



Рис. 15. Способы выключения тринисторов в цепях постоянного тока:



а — размыканием анодной цепи; б — шунтированием прибора; в — с помощью шунтирующего транзистора; г — увеличением сопротивления в анодной цепи; д — обратным напряжением на коммутирующем конденсаторе

В схеме рис. 15, 6 тринистор выключается при нажатии шунтирующей кноп­ки Si, через контакты которой при этом проходит практически весь ток нагруз­ки, и анодный ток прибора становится равным нулю. Функции шунтирующей кнопки может выполнять транзистор, открываемый током базы на время t>tвыкл, необходимое для выключения тринистора (рис. 15,в). Для этой цели подходит транзистор, позволяющий кратковременно пропустить полный ток на­грузки и имеющий рабочее напряжение коллектор — эмиттер не менее чем напряжение используемого источника питания. Схема рис. 15,в особенно удоб­на для дистанционного выключения маломощных приборов.

При кратковременном нажатии кнопки в схеме, приведенной на рис. 15,г, последовательно с нагрузкой Ra включается резистор Ri, сопротивление кото­рого выбирается так, чтобы выполнялось условие Unuт/(Rи+R1) <Iуд, и трини­стор выключается.

Необходимо заметить, что в схемах рис. 15,а — г при отпускании кнопки возникают относительно высокие значения du3C/dt на аноде прибора, что мо­жет вызвать самопроизвольное возвращение прибора в проводящее состояние.

При втором методе выключения к электродам анод — катод полупровод­никового прибора с четырехслойной структурой необходимо кратковременно приложить обратное напряжение, получаемое от вспомогательного источника. Такой метод называется принудительной коммутацией, и для его реализации используется дополнительное коммутирующее устройство. Обычно источником обратного напряжения служит предварительно заряженный конден­сатор (называемый коммутирующим), который чаще всего подключается парал­лельно выключаемому прибору. Существует несколько способов подачи обрат­ного напряжения, один из них, наиболее распространенный, показан на рис. 15Д

После включения тринистора VSi через него проходит прямой ток (ток нагрузки) Iи = Iпр = Uпит/Rи, а коммутирующий конденсатор С„ через резистор RI и открытый тринистор VS1 заряжается практически до напряжения источ­ника питания Uc=Uпит (полярность напряжения на конденсаторе обозначена на рисунке).


Продолжительность заряда конденсатора с момента включения тринистора составляет примерно 3R1CK. Если теперь нажать кнопку S1, то по­ложительная обкладка конденсатора окажется подключенной к катоду, а от­рицательная — к аноду.

Таким образом, к прибору прикладывается обратное напряжение U0бР= Uпит. В цепи, образованной конденсатором Ск, замкнутыми контактами кнопки S1, тринистором VS1, возникает разрядный ток ic, который проходит че-рез прибор в обратном направлении. Заряженный конденсатор представляет со-бой источник отрицательного напряжения с низким внутренним сопротивлени­ем, что обеспечивает возможность прохождения достаточно большого обрат­ного тока. Когда результирующий ток через тринистор становится меньше удерживающего тока, т. е. (IПр — ic) <Iуд, прибор выключается. Остаточное отрицательное напряжение на конденсаторе несколько сокращает время вос­становления закрытого состояния прибора. Вместо кнопки в такой схеме обыч-но используется второй тринистор, на который подается сигнал выключения. В. рассмотренной схеме следует применять приборы, имеющие гарантированное обратное напряжение U0бр>Uпит.

Емкость коммутирующего конденсатора Ск должна быть достаточно боль­шой, чтобы обратное напряжение на приборе сохранялось в течение времени Rвыкл, необходимого для его выключения. Для случая активной нагрузки ем­кость конденсатора (в микрофарадах) может быть найдена из соотношения

Ск>1,45Iпрtвыкл/Uпит,                                                                              (18)

где IПр — прямой ток (ток нагрузки) в момент коммутации, А; £Выкл — вре­мя выключения прибора, икс; UПит — напряжение источника питания, В.

Показанные на рис. 15 способы выключения тринисторов также примени­мы и для выключения динисторов.

В устройствах, работающих в цепях переменного тока, для выключения три-нисторов (или динисторов) не требуется специального сигнала. Приборы вы­ключаются автоматически за счет естественного изменения полярности напря­жения на аноде в начале каждого отрицательного полупериода напряжения.


После выключения на анод прибора в течение отрицательного полупериода по­ддается обратное напряжение (рис. 11,6), что повышает устойчивость работы три-нисторов в устройствах на переменном токе. Такой метод выключения называ­ется естественной коммутацией, его простота и удобство являют­ся одними из основных причин широкого применения тринисторов в различ­имых цепях переменного тока.

 

11. Последовательное соединение приборов

В ряде устройств, в которых напряжение источника питания превы-шает наибольшее постоянное прямое напряжение в закрытом состоянии одно­го прибора, используется последовательное соединение нескольких (обычно од­нотипных) приборов (рис. 16). При последовательном соединении приборов за­крытое состояние всей цепочки сохраняется, если напряжение на каждом при­боре не превосходит его напряжения U3c, т. е. при m-м числе приборов долж-но выполняться условие

Uпиm/m<UЗC.                                                                                          (19)

Токи в закрытом состоянии и емкости р-n переходов полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой одного и того же типа могут сущест­венно различаться, поэтому при их последовательном соединении для вырав­нивания напряжений на отдельных приборах необходимо применять выравни­вающие цепи.

В ждущем режиме напряжение источника питания на каждом из последо-;аательно соединенных приборов будет распределяться обратно пропорционально их токам в закрытом состоянии: наибольшее падение напряжения оказыва­ется на приборе, имеющем наименьший ток в закрытом состоянии. Для вырав­нивания напряжений на приборах применяют резисторы, которые подключа­ются параллельно каждому прибору (резистор Rm на рис. 16).



Рис. 16. Схемы последовательных соединений динисторов (а) и тринисторов (б, в):

а — отпирание цепочки динисторов импульсным сигналом; б — отпирание цепочки тринисто­ров с помощью импульсного трансформатора Т1; в — отпирание цепочки тринисторов с по-мощью конденсаторов связи (С1, С2)



Сопротивление шунтирующих резисторов рассчитывают по формуле



где Uзс — наибольшее постоянное прямое напряжение прибора в закрытом со-Стоянии; Uпит — напряжение источника питания; IЗC — ток в закрытом состоя­нии; m — число последовательно соединенных приборов. Шунтирующие рези­сторы вносят дополнительные потери; поэтому сопротивления их желательно выбирать как можно большими. Мощность, рассеиваемая на каждом резисторе Rm, определяется по формуле



Резисторы Rш обеспечивают равномерное распределение напряжения на приборах только в ждущем (установившемся) режиме. В моменты коммута­ции (переключения из открытого состояния в закрытое) цепочки приборов к ней прикладывается прямое напряжение, которое может иметь достаточно крутой фронт нарастания. При этом напряжения на отдельных приборах распределя­ются обратно пропорционально емкостям р-n переходов каждого из них. На приборе, имеющем минимальную емкость, возникает перенапряжение, которое может привести к переключению этого прибора, а затем и всей цепочки в от­крытое состояние. Различие в емкостях р-n переходов может быть устранено, «ели параллельно каждому прибору подключить конденсатор небольшой емко­сти (конденсаторы Сь С2 на рис. 16,6). Для приборов малой и средней мощностей емкость этого конденсатора составляет примерно 500... 2000 пФ. По­следовательно с каждым конденсатором для ограничения разрядного тока через прибор целесообразно включать резистор (резисторы Ri, R2 на рис. 16,6), соп­ротивление которого определяется по формуле (17) и должно выбираться воз­можно меньшим, чтобы не снижать эффективность действия конденсаторов, вы­равнивающих напряжения на последовательно соединенных приборах в переход­ных режимах.

Рассмотрим переключение последовательной цепочки динисторов (рис. 16,а). В исходном состоянии напряжение на каждом приборе соответствует ус­ловию (19), и вся цепочка находится в закрытом состоянии. Переключение це­почки в открытое состояние может быть осуществлено при подаче переключа­ющего импульса на один из динисторов, например на VS3. Амплитуда этого импульса Uвх.и должна удовлетворять условию



(UBX.И+UПИТ/m) >UОТ.И.

Когда динистор VS3 переключается в открытое состояние, напряжение источ­ ника питания перераспределяется между остальными приборами и к каждо­му из них оказывается приложенным напряжение UПит/(m — 1). Прибор из це­почки, имеющий минимальное напряжение Uпрк, меньше чем Uпит/(т — 1), сле­дующим переключится в открытое состояние. Затем процесс повторяется и вся цепочка динисторов переключается в открытое состояние.

Существуют два способа включения последовательно соединенных трини-сторов:

1) яри одновременной подаче отпирающих импульсов на управляющий электрод каждого прибора;

2) при подаче отпирающего импульса на управляющий электрод только од­ного прибора.

Первый способ, при котором внешние отпирающие импульсы подаются на управляющие электроды каждого тринистора, иллюстрируется схемой рис. 16,6. Для такого способа управления необходим импульсный трансформатор T1 с количеством изолированных вторичных обмоток, равным числу последователь­но соединенных приборов. Изоляция между обмотками должна выдерживать напряжение не меньшее чем UПит. В цепь управления каждого тринистора сле­дует включать резистор R? для выравнивания входных сопротивлений отдель­ных приборов (рис. 16,6). Для одновременного включения тринисторов после­довательной цепочки отпирающие импульсы должны иметь минимально воз­можную длительность фронта (несколько десятых долей микросекунды) и та­кую амплитуду, чтобы ток управления каждого тринистора был примерно ра­вен Iу.от.и.

При втором способе отпирающий импульс подается на управляющий элек­трод только одного тринистора, а включение остальных приборов осуществля­ется сигналами, формирующимися в самой цепочке (рис. 16,0). В исходном состоянии конденсаторы d и С2 заряжены до напряжений, имеющихся на трп-нисторах VS2 и VSZ соответственно, в данном случае Uс1 = Uс2 = UПит/3; по­лярность напряжений на обкладках конденсаторов показана на рисунке. Тринистор VSz отпирается внешним управляющим импульсом.Напряжение на аноде трп-нистора VS3 резко снижается, вследствие чего конденсатор С2 разряжается че­рез резистор Rz, цепь управляющего электрода тринистора VS2 и открытый тринистор VS3. Разрядный ток конденсатора С2 открывает тринистор VS2. Разрядным током конденсатора С4 аналогичным образом включается тринистор VSi. Резисторы R1 и R2 ограничивают токи в цепях управляющих электродов приборов VSi и VS2. Сопротивление каждого из них рассчитывают по формуле (10), полагая UBX.И = Uc1 = Uc2=Unsит/3. Конденсаторы d и С2 кроме основ­ной функции выполняют также дополнительную: выравнивают напряжения на тринисторах VS2 и VS3 в моменты коммутации. Для тринистора VS1 эту роль выполняет конденсатор Сз. Резистор Rs ограничивает разрядный ток конденса­тора Сз через прибор VS1 при открывании последнего.

УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКОВ

УСТРОЙСТВА ДЛЯ КОММУТАЦИИ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКОВ

 

12. Общие замечания

В предыдущих главах было показано, что динисторы и тринисторы имеют два устойчивых электрических состояния (закрытое и открытое), управ­ляются маломощным сигналом, обладают относительно высоким быстродейст­вием и могут пропускать значительные нагрузочные токи. Эти свойства прибо­ров открывают новые возможности в построении простых, надежных бескон­тактных выключателей (реле), и поэтому они с успехом используются в ком­мутационных устройствах, с помощью которых осуществляются операции вклю­чения, отключения, а также переключения электрических цепей постоянного и переменного токов.

Кроме того, обладая малым сопротивлением в открытом состоянии и весь­ма большим — в закрытом, полупроводниковые приборы с четырехслойной струк­турой хорошо удовлетворяют требованиям, предъявляемым к переключающим элементам. Из-за небольшого падения напряжения на открытых приборах по­следние выгодно применять в электрических цепях с относительно низким на­пряжением и большим током.

Созданные на основе диодных и триодных тиристоров статические бескон­тактные выключатели успешно конкурируют с механическими и электромехани­ческими аналогами. Причем преимущества тиристорных устройств особенно за­метны при многократных переключениях, поскольку они не имеют изнашива­ющихся контактов в сильноточных цепях, а следовательно, в них отсутствуют явления дребезга, подгорания и залипания контактов.

Переключатели на тринисторах практически выполняют любые функции обычных выключателей, однако в дополнение к простому действию «включе­но», «выключено» эти устройства могут использоваться как реле времени, им­пульсные выключатели, выключатели быстродействующей защиты электрических Цепей от перенапряжений и коротких замыканий и т. д.

При конструировании и использовании тиристорных выключателей (пере­ключателей) следует иметь в виду, что в закрытом состоянии полупроводни­ковые приборы с четырехслойной структурой не обеспечивают полной развяз­ки (изоляции) источника питания и нагрузки, как это имеет место, например, при использовании механических выключателей.
Степень развязки определяется током прибора в закрытом состоянии, и тем она выше, чем меньше значение этого тока.

В настоящей главе дается описание устройств, в которых динисторы и три-нисторы используются для замыкания или полного размыкания электрической цепи. (Устройства, в которых с помощью тринисторов регулируется среднее значение напряжения или мощности на нагрузке, рассматриваются в гл. 6.)

Длительное пребывание коммутирующих устройств в режимах «Выключе­но» и «Включено» обеспечивается соответствующим режимом работы тиристо­ров. В режиме «Выключено» напряжения источника питания постоянного или переменного тока выбираются так, чтобы обеспечивалось выполнение условия (2). В режиме «Включено» должны выполняться условия (5). Токи, протека­ющие через открытые приборы, рассчитываются по формуле (4).

Напряжения источников питания постоянного тока рассматриваемых уст­ройств, как правило, не критичны, и их целесообразно выбирать примерно в пределах 9 ... 30 В. Напряжения питания устройств переменного тока определя­ются их назначением и могут доходить до 220 В. При этом следует иметь в виду, что многие устройства, работающие на переменном токе, схемы которых рассматриваются в дальнейшем, питаются непосредственно от сети напряжени­ем 127 или 220 В без разделительных трансформаторов. Детали таких устройств гальванически связаны с сетью переменного тока; поэтому при их налаживании и эксплуатации необходимо соблюдать повышенные меры безопасности. Любая перепайка или замена элементов должна производиться при полностью отклю­ченном устройстве от сети питания. Детали устройств следует размещать в ко­жухах (корпусах) из изоляционного материала, а на оси переменных резисто­ров обязательно должны быть надеты изолирующие ручки. Во входной цепк питания необходимо устанавливать плавкие предохранители.

 

13. Выключатели и переключатели постоянного тока

Специфической особенностью всех устройств, работающих на посто янном токе и использующих выключатели (переключатели) на динисторах или тринисторах, является наличие специальных элементов (цепей), предназначен­ных для закрывания этих приборов.



Простая схема выключателя, который управляется обычными контактными кнопками, приведена на рис. 17. В исходном состоянии (после подачи напря­жения источника питания Uпит) тринистор VS1 закрыт, цепь питания нагруз­ки Rн разомкнута, а конденсатор С1 заряжен приблизительно до напряжения Uпит (полярность напряжения на конденсаторе указана на схеме). Подключение нагрузки к источнику питания осуществляется кратковременным нажатием кнопки Si; при этом конденсатор Ci разряжается через резистор Rz и цепь уп­равляющего электрода тринистора и открывает его. Нагрузка Rs подключает­ся к источнику питания. Отключение нагрузки происходит при нажатии кноп­ки $2, контакты которой замыкают накоротко выводы анод-катод тринисто­ра, его анодный так становится равным нулю, и прибор закрывается. В момент отпускания кнопки 52 нагрузка отключается от источника питания. Полезно от­метить, что дребезг контактов кнопки Si не отражается по форме фронта ком­мутируемого напряжения, подаваемого на нагрузку.

Рис. 17. Схема выключателя по­стоянного тока с кнопочным уп­равлением



Рис. 18. Схема выключателя, управляемо­го одной кнопкой

Элементы схемы выключателя выбираются из следующих условий:

R3<<RУтс ; C1>tу.вкл/3R2,

где Rут с — сопротивление утечки конденсатора C1; tу.Вкл — время включения трлнистора по управляющему электроду.

Сопротивление R2 рассчитывается по формуле (8), а тринистор выбирает­ся из условий (2) и (5)., Сопротивление резистора Ri выбирается в пределах 50... 1000 Ом, в зависимости от мощности тринистора.

Коммутирующее устройство (рис. 18) представляет собой комбинацию три-нистора и реле и позволяет производить переключения цепи нагрузки, подсое­диненной к контактам 7 — 9 реле, кратковременным нажатием одной и той же кнопки.

В исходном состоянии тринистор VS1 закрыт и обмотка реле K1 обесточе­на. При нажатии кнопки S1 на управляющий электрод тринистора через нор­мально замкнутые контакты реле 1 — 2, 4 — 5 и ограничивающий резистор R2 подается напряжение источника питания и прибор открывается.


Через эти же две пары контактов обмотка реле шунтируется цепью, состоящей из резистора R1 и диода VD1. Пока кнопка нажата, анодный ток тринистора проходит по параллельной цепи, одна ветвь которой — обмотка реле, а вторая — резистор R1 и диод VD1. Сопротивление резистора Ri выбирается так, чтобы проходя­щий через обмотку ток был меньше тока срабатывания реле. Как только кноп­ку отпускают, шунтирующая цепь отключается и реле срабатывает: замыкают­ся контакты 1 — 3, 4 — 6, 7 — 9. В таком состоянии устройство остается, пока пов­торно не будет нажата кнопка S1. Теперь при ее нажатии выводы анод — катод тринистора замыкаются накоротко и прибор закрывается. Однако, пока нажата кнопка, ток от источника UПИТ проходит через обмотку реле, резистор R3 и замкнутые контакты 1 — 3 и 4 — 6 и реле остается включенным. Оно отключится при отпускании кнопки, и все устройство возвратится в исходное состояние: контакты 1 — 3, 4 — 6 и 7 — 9 вновь разомкнутся.

Сопротивление ограничивающего резистора R2 определяется по формуле (8). Значение максимального тока обмотки реле IР max должно удовлетворять ус­ловию (5). Чтобы ток через обмотку реле при данном напряжении источника литания {7ПИТ не превысил допустимого для выбранного типа реле значения

IP max, устанавливается (если необходимо) резистор Ra, сопротивление кото-рого рассчитывается ло формуле



где rр — сопротивление обмотки реле.

Сопротивление шунтирующего резистора Rl может быть вычислено из со­отношения



где Iр min — минимальный ток срабатывания реле.

Диод VD1 устраняет непосредственную связь управляющего электрода три­нистора с источником питания. Диод VD2 и конденсатор Ct шунтируют экст-ратоки обмотки реле при переключениях.

На рис. 19 приведена схема устройства, выполняющего функции дверного кодового замка, которая иллюстрирует многочисленные возможности практиче­ского использования выключателей на тринисторах с кнопочным управлением.

Основу замка составляет переключатель на трех тринисторах VSi — VSj, соединенных последовательно.


В анодную цепь тринистора VS3 включена об­мотка электромагнита YA1, сердечник которого служит запором для двери. Це­почка последовательно соединенных тринисторов может быть переключена в проводящее состояние только при отпирании каждого из них в определенной последовательности: первым должен быть открыт тринистор VSi, вторым — VS2 и, наконец, — VSз.



Рис. 19. Схема кодового замка

Открываются тринисторы с помощью кнопок. Управляющие электроды три­нисторов могут быть подсоединены к контактам любых трех кнопок So — S» пульта, установленного на стене с наружной стороны двери. При показанном на схеме соединении управляющих электродов тринисторов с кнопками кодом замка является число 430, и поэтому первой должна быть нажата кнопка Si, затем — кнопка S3 и последней — кнопка So. Сопротивления резисторов Ri и R2 обеспечивают выполнение условия (3), поэтому после включения тринисторов VS1 и VS2 при кратковременном нажатии кнопок S1 и S3 соответственно эти приборы остаются в проводящем состоянии. После нажатия кнопки So включа­ется тринистор VS3, напряжение источника питания UПИТ через замкнутые кон­такты выключателя SA1 и кнопки S10 подается на обмотку электромагнита YAi, при этом одновременно загорается сигнальная лампа HLi. Электромагнит втя­гивает сердечник и таким образом открывает замок двери. При открывании двери контакты выключателя SA1 размыкаются и разрывают цепь питания, три­нисторы вновь выключаются, и после закрывания двери устройство возвраща­ется в исходное состояние.

Если при наборе кода вначале нажмут кнопку S3 или So, то тринисторы VS2 и VS3 останутся выключенными, поскольку цепь питания этих приборов будет разомкнута закрытым тринистором VS1 и, следовательно, замок не сра­батывает.

Тринистор VS4 служит для того, чтобы исключить возможность открыть замок подбором кода. Контакты кнопок, не использованных в коде, соединены между собой и подключены к управляющему электроду тринистора VS4. Ес­ли при попытке подобрать код будет нажата любая из этих кнопок, то три­нистор VS4 откроется и замкнет цепь управления тринисторов VSi — VS3, и тогда ни один из них уже невозможно будет включить.


Сопротивление резис­тора R6 рассчитывается по формуле UПит/Rб>Iуд; поэтому тринистор VS4 по­сле включения остается в проводящем состоянии. Такой же результат будет и при одновременном нажатии всех кнопок, так как тринистор У54 откроется раньше, чем три последовательно соединенных тринистора VSi — VSa. Полезно обратить внимание на то, что этому обстоятельству способствует также и боль­шее значение управляющего тока прибора VS4 по сравнению с тринисторами VS1 — VS3. Чтобы устройство возвратить в исходное состояние после включения тринисторп VS1, следует нажать кнопку S10 «Вызов», контакты которой раз­рывают пепь питания тринистора VS4, и последний закрывается. Одновременно замыкающие контакты этой кнопки включают звонок HAi звуковой сигнализа­ции. Кстати, этой кнопкой можно пользоваться просто как кнопкой звонка, ес­ли код замка не известен.

С помощью кнопки S11 замок можно открыть дистанционно из помещения. При нажатии этой кнопки тринисторы VSi — VS3 замыкаются накоротко и на­пряжение питания подается на обмотку электромагнита УЛ;. Кнопку 5И сле­дует держать нажатой до тех пор, пока дверь не будет открыта.

Для изменения кода замка провода, идущие от управляющих электродов тринисторюз VSi — VS3, подсоединяют к зажимам 0,..9 в соответствии с кодо­вым числом; остальные зажимы соединяют между собой и подключают к уп­равляющему электроду тринистора VSi.

В качестве выключателя 5Л4 можно использовать малогабаритную кнопку KM1-I или микропереключатель типа МП. Напряжение питания кодового замка 27... 36 В.



Рис. 20. Схема устрой­ства для включения ре­зервного источника пи­тания



Рис. 21. Схемы переключателей на динисто­рах:

а — включение импульсным сигналом, выключение кнопкой; б — включение и выключение импульсным-сигналом

Переключатель (рис. 20) автоматически включает резервный источник пи­тания U'пит при неисправности (пропадании напряжения) основного источника питания UПИТ. Напряжение резервного источника питания U'пит и тип динисто-ра VS1 выбираются так, чтобы выполнялось условие Uпит>U'пит>(Uпрк+ +IпркRн), где иирк и IПрк — напряжение и ток переключения динистора VSi.. Пока нагрузка Ra питается от основного источника, динистор закрыт, так как напряжение между его анодом и катодом меньше или равно нулю.


При исчез­новении напряжения UПИТ ( выходе из строя основного источника) к динистору в прямом направлении прикладывается напряжение U'ПИТ, переключающее при­бор в открытое состояние, и нагрузка Rн оказывается подключенной к резерв­ному источнику питания. При этом диод VD1 устраняет связь резервного и ос­новного источников. Если после устранения неисправности вновь включить ис­точник Uпит, то между анодом и катодом динистора VS1 появится напряжение, равное (Uпит — U'пит)<0, прибор закроется, а источник U'Пит отключится.

Тиристорные выключатели (переключатели) могут управляться дистанци­онно импульсными сигналами. Простейшая схема такого выключателя на дини-сторе показана на рис. 21,а.. При отсутствии входного (включающего) импуль­са динистор VSi закрыт, ток через нагрузку Rн не протекает. При подаче им­пульса отрицательной полярности, амплитуда которого должна быть UВх.и>Uот.и, динистор открывается и нагрузка подключается к источнику пита­ния UПит. Если выполняется условие (3), то динистор остается в таком состо­янии до тех пор, пока не будет нажата кнопка S1, контакты которой разрыва­ют его анодную цепь. Подобную схему можно использовать в запоминающих устройствах, в индикаторах счетных устройств и т. д.

Коммутирующее устройство (рис. 21,6) состоит из динистора VSi, реле KI и осуществляет поочередное переключение цепи нагрузки с приходом каждо­го входного импульса положительной полярности. Функции, выполняемые этим устройством и ранее рассмотренным тринисторным переключателем (рис. 18), одинаковы. Различие в способе управления: в первом случае — кнопочное,, здесь — импульсное.

В исходном состоянии динистор VS1 закрыт и реле K1, обмотка которого включена в его анодную цепь, выключено. Первый входной импульс, амплитуда .которого должна быть UВх.и>Uот.и, проходит через нормально замкнутые контакты реле 1 — 2 на анод динистора и переключает его в проводящее состоя­ние. Реле срабатывает, и контакты 1 — 3 и 4 — 6 замыкаются.


В таком состоянию устройство будет оставаться до тех пор, пока не будет закрыт динистор. Эте происходит с приходом очередного (второго) импульса, который через замкну­тые контакты 1 — 3 реле поступает теперь на катод динистора и закрывает его. Реле выключается, и контакты его возвращаются в исходное состояние. Для закрывания динистора амплитуда входного импульса должна быть Uвх.и>Uпит. Удерживающий ток динистора не должен превышать минимального тока-срабатывания реле, т. е. IУд<Iр min кроме того, должно выполняться условие

UПИТ/(rР+ R1)>IУД.

где rр — активное сопротивление обмотки реле.

На рис. 22 показана основная схема тринисторного выключателя, управ­ляемого импульсными сигналами. В выключателе используется способ закрыва­ния тринистора с помощью предварительно заряженного коммутирующего ков-денсатора (см. § 10).



Рис. 22. Схема тринисторного переключателя постоянного тока, управляемого импульсными сигналами



Рис. 23. Схема сенсорного тринисторного переключателя

Устройство содержит два тринистора: основной VSi и дополнительный VS&. который служит для выключения тринистора VSi. В исходном состоянии после-подачи напряжения питания тринисторы VSi и VS2 остаются закрытыми, ток в-нагрузке Rн практически равен нулю, а коммутирующий конденсатор Ct не за­ряжен. При подаче на управляющий электрод тринистора VSi положительного-» импульса «Вкл.» последний открывается и напряжение источника питания UПиТ;. за вычетом падения напряжения на открытом приборе VSi, прикладывается к 5 нагрузке RH, а коммутирующий конденсатор Ci через резистор Ri и открытый тринистор VS1 заряжается почти до напряжения U„„ (полярность напряжения; на конденсаторе обозначена на схеме). В таком состоянии устройство находит--ся до тех пор, пока не будет подан положительный импульс «Выкл.» на управ­ляющий электрод тринистора VS2, который этим сигналом открывается. Прв-этом тринистор VSi выключается отрицательным напряжением коммутирую­щего конденсатора, и ток в цепи нагрузки прерывается.


Разряд конденсатора C1 вначале происходит через оба тринистора, а после выключения прибора VS1 — через тринистор VS2, нагрузку и источник питания. По мере разряда конденсатора d анодный ток прибора VS2 уменьшается, и, когда его значение становится меньше удерживающего тока, тринистор VS2 закрывается и выклю­чатель возвращается в исходное состояние (нагрузка RB обесточена). Для это­го необходимо сопротивление резистора Rl выбирать таким, чтобы для трини­стора VS2 выполнялось условие (6). Обычно принимают

                                                                                                                                         (20)

где Rт2=Uпит/Iзс2 — сопротивление тринистора VS2 в закрытом состоянии; Iуд2 — удерживающий ток тринистора VS2.

Емкость коммутирующего -конденсатора Ct рассчитывается по формуле (18). Прямое напряжение UЗС обоих тринисторов выключателя определяется напря­жением источника питания (2) и должно быть одинаковым. Основной трини­стор VSi должен иметь обратное напряжение U06p = U3c, а для тринистора VS2 значение (70бр не нормируется. При выборе тринистора VSi по току руко­водствуются условиями (5). Вспомогательный тринистор VS2 может иметь не­большой средний ток. Диод VDi следует включать, если нагрузка имеет индук­тивный характер.

Рассмотренный выключатель с двумя тринисторами широко используется в разнообразных коммутирующих устройствах. В качестве примера на рис. 23 приведена схема сенсорного переключателя, который позволяет поочередно под­ключать к источнику питания одну из трех нагрузок. Переключатель содержит три тринистора VS1 — VS3, каждый из которых выполняет функции как основно­го, так и вспомогательного прибора (рис.22). После подачи напряжения источ­ника питания Uпит транзисторы VT1 — VT3 и тринисторы VSi — VS3 остаются закрытыми, а нагрузки RH1 — Rнз — обесточенными. Во время кратковременного касания (замыкания) пальцем или металлическим предметом любой пары сен­сорных контактов Е1 — Е3 в базовой цепи соответствующего транзистора появ­ляется ток.


Транзистор открывается, и его эмиттерный ток, протекая через цепь управления тринистора, включает последний. Напряжение источника питания, за вычетом паления напряжения на открытом тринисторе, приложится к наг­рузке, через которую потечет ток, определяемой формулой (4). Если при мини­мальном токе нагрузки выполняется условие (5), то тринистор остается в про­водящем состоянии и после размыкания сенсорных контактов до тех пор, по­ка не будет открыт другой тринистор.

Пусть, например, при первом замыкании сенсорных контактов E3 открылся тринистор VS3 и включилась нагрузка Rн.з. Коммутирующие конденсаторы Cz и С3, соединенные с анодом тринистора VS3, зарядятся до напряжения UПИт (полярность напряжения на конденсаторах обозначена на рисунке). Легко за­метить, что теперь при включении тринистора VS1 или VS2 ранее открытый при­бор выключится за счет отрицательного напряжения на коммутирующем кон­денсаторе (С3 или С2 соответственно) и вместо нагрузки Rнз к источнику пи­тания подключиться RHI или Rн2 и т.д.

Ток каждой нагрузки должен удовлетворять условию (5). Емкость комму­тирующих конденсаторов C1 — Сз рассчитывается по формуле (18).

Отметим, что во всех рассмотренных схемах переключателей постоянного тока реализуются свойства полупроводниковых приборов с четырехслойной структурой «запоминать» заданное им внешним сигналом электрическое состо­яние.

14. Выключатели переменного тока

Выключатели переменного тока выполняются, как правило, на три-нисторах, а также на симметричных тиристорах (триаках); с последними чи­татель может познакомиться в [1].

По своему действию в цепях переменного тока тринистор подобен специ­альному типу выключателя, который в режиме «Выключено» не проводит ток в обоих направлениях, а в режиме «Включено» проводит ток только в одном направлении. Таким образом, для питания нагрузки обоими полупериодами пе­ременного тока в силовых цепях выключателей следует использовать включен­ные навстречу друг другу либо два тринистора, либо один тринистор и обыч­ный диод.


Для открывания тринисторов часто применяются сигналы, формируе­мые из положительной полуволны анодного напряжения. Выключаются трини­сторы автоматически при изменении полярности напряжения на аноде, т. е. че­рез каждые полпериода напряжения источника питания.

Однофазный выключатель переменного тока (рис. 24) содержит два трини­стора VSt и VS2, которые включены параллельно и навстречу друг другу. Ког­да выключатель Si разомкнут, тринисторы закрыты и нагрузка обесточена. При замкнутом выключателе St каждый из тринисторов проводит ток только в те­чение положительного полупериода напряжения на его аноде. Если положите­лен верхний (на схеме) провод источника питания, то проводит тринистор VSi, поскольку на его анод и управляющий электрод подается положительное на­пряжение (напряжение на управляющий электрод поступает через сопротив­ление нагрузки Rн, диод VD1, резистор R1 и замкнутые контакты выключателя S1). В следующий полупериод становится положительным нижний провод ис­точника и начинает проводить тринистор VS2, на который управляющее напря­жение поступает через диод VD2, замкнутые контакты выключателя St и ре­зистор Ri. Поочередное выключение тринисторов происходит автоматически в конце каждого положительного полупериода анодного напряжения. Таким об­разом, в цепи нагрузки проходит переменный ток синусоидальной формы, а на­пряжение на нагрузке в течение каждого полупериода равно напряжению се­ти, за вычетом падения напряжения на открытом тринисторе.



Рис. 24. Схема выключателя перемен­ного тока на двух встречно-парал­лельно включенных тринисторах

При размыкании контактов S4 тринисторы выключаются и нагрузка обесточивается. При этом к закрытым приборам VSt и VS2 периодически прикладывается прямое и обратное напряжения, равные амплитудному значению напряжения сети питания Ут. Таким образом, тринисторы вы­ключателя должны иметь гарантиро­ванное прямое и обратное напряжения не менее чем Uзс = Uобр>Um.


При напряжении сети £7=127 В амплитудное значение напряжения составляет Um= |/2U= 1,41*127= 180 В, а при сети U= 220 В имеем Um — 1,41-220=310 В. Допустимый импульсный анодный ток каж-дого из тринисторов должен быть IОс.п>Iнm, где Iн m = Um/Ru — амплитудное значение синусоидального тока в нагрузке, а средний ток — не менее Iоc.ср>0,32 Iн т. Сопротивление резистора Ri, ограничивающего ток в цепях управ­ляющих электродов тринисторов, рассчитывается по формуле (12).

Однофазные выключатели переменного тока могут также выполняться на основе различных комбинаций тринисторов и обычных силовых диодов. На рис. 25,а показана широко распространенная схема однофазного выключателя, который содержит только один тринистор VSi, включенный в диагональ моста VD1 — VD4 со стороны выпрямленного тока. К источнику переменного напря­жения мост подключен последовательно с нагрузкой Ra. Такой выключатель также питает нагрузку обоими полупериодами переменного тока. (При необ­ходимости нагрузку можно питать пульсирующим постоянным током, включив йе между точками а и б.)



Рис. 25. Выключатели переменного тока на тринисторах и диодах:

а — схема с тринистором, включенным в диагональ моста; б — схема на двух тринисторах и двух диодах

Ток в цепи нагрузки протекает только тогда, когда диагональ моста зам-«нута накоротко открытым тринистором. Действительно, мост выпрямляет пе­ременное напряжение и на анод и управляющий электрод тринистора в тече­ние каждого полупериода сети подается положительное напряжение, имеющее «форму полусинусоиды. Когда сигнал на управляющий электрод не подается (выключатель Si разомкнут), тринистор закрыт, поэтому ток через нагрузку ее протекает. Если Si замкнуть, то тринистор откроется в начале положитель­ной полуволны и будет оставаться в проводящем состоянии в течение всего лолупериода переменного напряжения. При открытом тринисторе через нагруз­ку протекают обе полуволны переменного тока. Одна полуволна тока (поло­жительный верхний по схеме зажим источника) проходит по цепи: диод VDi, тринистор VS1, диод VD1, нагрузка RН, вторая полуволна (положительный нижний зажим) — по цепи: нагрузка Rн — диод VD3 — тринистор VSi — диод J¥D2 (путь тока в обоих случаях на рис. 25,а обозначен сплошными и штрихо­выми стрелками соответственно), Напряжение питающей сети, за вычетом па­дения напряжения на двух диодах и тринисторе, включенных в прямом нап-;равлении, приложено к нагрузке Rs. Если управляющий сигнал снять (разом­кнуть выключатель Si), то тринистор в конце очередного полупериода, когда анодное напряжение спадает до нуля, закрывается и нагрузка отключается от источника питания.



Как и в предыдущей схеме выключателя, тринистор должен иметь напря­жение в закрытом состоянии не менее U3c>Um. Обратное напряжение на три­нисторе в этой схеме равно нулю, так как прибор все время находится под на­пряжением одной полярности. Поскольку тринистор пропускает обе полуволны тока нагрузки, .которые следуют одна за другой практически без разрыва, то средний ток прибора должен быть не менее Iос.ср>0,64 Iн т, а импульсный ток Iос.п>Iн т. Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле (12).

Допустимое обратное напряжение каждого из диодов моста VDi — VDt должно быть не менее Um. Эти диоды должны иметь импульсный ток такого же значения, как и тринистор, т. е. Iд.и>Iн т, а их средний ток может быть в два раза меньше Iд.Ср>0,32 Iн т.

Однофазный выключатель (рис, 25,6) содержит два тринистора VSi, VS2 и два силовых диода VDi, VD2. Управляющее напряжение для тринисторов вы­ключателя получается с помощью маломощного низковольтного выпрямителя, выполненного на понижающем трансформаторе TI, диоде VD3 и конденсаторе С1. Напряжение с конденсатора Ci через резисторы Ri и R2 подается на управ­ляющие электроды тринисторов.

Пока выключатель Si разомкнут, конденсатор Ci остается разряженным, напряжение на управляющих электродах тринисторов равно нулю и тринисто-ры закрыты. Ток через нагрузку ни в один из полупериодов напряжения сети не проходит, поскольку диоды VDi и VD2 по отношению к нагрузке включены последовательно и навстречу друг другу При замыкании выключателя Si на конденсаторе Ci появляется постоянное напряжение, полярность которого по­казана на рис. 25,6. Теперь при положительном полупериоде напряжения на аноде любого трннистора последний откроется. Так, в течение полупериода, ког­да положительный верхний (по схеме) провод источника, открыт тринистор VSi и ток проходит пс цепи: источник питания, нагрузка Rs, тринистор VSi, диод VDi — источник питания. В следующий полупериод (положительный ниж­ний провод) открыт тринистор VS2, и теперь ток нагрузки RH протекает от ис­точника питания через открытый тринистор VS2 и диод VD2. Таким образом, нагрузка подключена к питающей сети в течение всего периода переменного то­ка, а напряжение на ней равно напряжению сети, за вычетом суммы падений напряжений на тринисторе и одном диоде, включенных в прямом направлении.


При размыкании выключателя Si оба тринистора через несколько периодов на­пряжения сети закрываются после разряда конденсатора d. Обратное напря­жение на тринисторах в таком выключателе равно нулю, требования к допу­стимому напряжению в закрытом состоянии, импульсному и среднему токам приборов такие же, как и для тринисторов выключателя рис. 24. Диоды VD1 и VD2 должны иметь обратное напряжение Uд.0бр>Um. Выходное напряжение U1 вспомогательного выпрямителя (на конденсаторе Ct) должно быть U1>Uу.от, а сопротивления резисторов Ri и R2 рассчитываются по формуле Ri = = R2 = Ui/I7.oT, где Uу.от и Iу.от — отпирающие напряжение и ток управления тринисторов.

Из рассмотренных трех основных схем выключателей переменного тока на­именьшие потери имеет выключатель с двумя тринисторами (рис. 24). Следует обратить внимание, что во всех типах выключателей нагрузка остается гальванически соединенной с одним проводом питающей сети и при разомкнутых контактах выключателя S1.

Функции выключателя S1 в выключателях переменного тока обычно вы­полняет механическое, электромеханическое или электрическое устройство. В по­следнем случае это может быть маломощное ключевое электронное устройство с датчиком, который срабатывает под действием напряжения, света, темпера iy-ры, давления и т. д. Таким образом, коммутация значительной мощности в нагрузке осуществляется маломощным сигналом.

Для иллюстрации сказанного на рис. 26 приведена схема выключателя пе­ременного тока, управляемого светом. Такое устройство можно использовать, например, для автоматического включения и выключения лампы в помещении в зависимости от степени освещенности фоторезистора R5, используемого в ка­честве датчика. Резисторы R3 — R5 образуют делитель напряжения, к которому через стабилитрон VD5 и резистор RZ подключен управляющий электрод три-нистора VS1. Пока фоторезистор Rs освещен (он может быть установлен у ок­на или вне помещения), его световое сопротивление R5C невелико, так что R5с<R3+R4. Конденсатор С± заряжается до напряжения, определяемого делите­лем R3 — R5C и равного Uc1 = UmR5c/(R3+R1+R5c) <Um, которое недостаточ­но для пробоя стабилитрона VD5 (здесь Um — амплитуда сетевого напряже­ния).


Тринистор закрыт, выключатель находится в «разомкнутом» состоянии, и лампа EL1 погашена. С уменьшением освещенности фоторезистора его сопро­тивление резко ( в сотни раз) возрастает и становится R5T>R3+R4. Теперь в начале каждого положительного полупериода напряжения на аноде тринисто-ра конденсатор Ci будет заряжаться через резисторы R3+R4, пока напряже­ние на нем не достигнет пробивного напряжения Uст5 стабилитрона VDs. При пробое стабилитрона конденсатор d разряжается через стабилитрон, резистор R2 и цепь управления тринистора. Ток разряда открывает тринистор, и напря­жение сети подается на осветительную лампу. Выключатель переходит в «зам­кнутое» состояние, в котором он будет находиться, пока затемнен фоторезис­тор. Переменным резистором R4 регулируется момент срабатывания выключа­теля при различной освещенности.



Рис. 26. Схема выключателя переменного тока, управляемо­го светом

Суммарное сопротивление R3+R4 должно удовлетворять условию R5T>R3 + R4>R5c и выбирается в пределах 100... 200 кОм ,(в среднем положении движка переменного резистора R4). Продолжительность заряда конденсатора C1 до значения пробивного напряжения Ucт5 стабилитрона VD5 (при затемненном фоторезисторе) должна быть примерно 0,5 мс. При таком условии емкость конденсатора d (в микрофарадах) вычисляется по формуле



Тринистор VS1 и диоды моста VD1 — VD4 выбираются в зависимости от мощ­ности лампы (ламп) и напряжения сета (см. выключатель рис. 25,а), а стаби­литрон — по условиям (11). В выключателе могут быть использованы фоторези­сторы ФСК-1, СФ2-5, СФЗ-5 и др.

Выключатели, управляемые светом, могут быть также построены по прин­ципу: «включено» при освещенном датчике (фоторезисторе) и «выключено» — при затемненном.

Интересен принцип построения выключателя, схема которого изображена на рис. 27. При нажатии кнопочного переключателя St через нагрузку протека­ет только одна полуволна тока, независимо от времени, в течение которого кнопка оставалась нажатой.



Устройство работает следующим образом. После подачи напряжения (за­мыкания выключателя Qi) тринистор VSi остается закрытым, а нагрузка Rи — обесточенной. В те полупериоды напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) провод источника питания, конденсатор С2 заряжается по цепи: со­противление нагрузки Ян, диод VD2, резистор R2. Через некоторое количество периодов напряжение на конденсаторе С2 станет равным амплитудному значе­нию напряжения сети Um (полярность напряжения на конденсаторе обозначе­на на рисунке). Контакты 1 — 2 кнопочного переключателя St нормально замк­нуты, и конденсатор d разряжен. В таком ждущем режиме устройство может находиться длительное время, пока не будет нажата кнопка St. После нажатия кнопки при очередном отрицательном полупериоде (положителен нижний про­вод источника питания) в цепи: резистор Rz, управляющий электрод--катод тринистора VS1. замкнутые контакты 1 — 3 кнопки Si, резистор Ri, диод VDi потечет зарядный ток конденсатора Ci. Этот ток откроет тринистор, так как конденсатор С2 поддерживает на его аноде положительное напряжение, равное Uт.



Рис. 27. Схема полуволнового выклю­чателя переменного тока

Постоянная времени зарядной цепи. конденсатора d, приблизитель­но равная т1= (R1 + R3)C1, должна иметь такое значение, чтобы конден­сатор полностью зарядился примерно в первой четверти полупериода, и по­этому к концу полупериода управ­ляющий ток тринистора становится равным нулю, хотя контакты 1 — 3 кнопки остаются замкнутыми. По­стоянная времени цепи разряда конденсатора С2 через резистор R2, открытый тринистор VS1 и диод VD3, равная t2=R2C2, рас­считывается так, чтобы к концу полупериода разрядный ток конденсатора оставался больше значения удерживающего тока тринистора. Та-ким образом, к моменту начала следующего положительного полупериода на­пряжения сети на аноде тринистора последний окажется в открытом состоянии и через нагрузку RB, тринистор VSit диоды VD2 и VDa пройдет полуволна то­ка с амплитудой Iн m=UmlRн. В течение этого полупериода конденсатор Сг полностью разряжается.


В следующие положительные полупериоды анодного на­пряжения, хотя кнопка и продолжает быть нажатой, тринистор остается закрытым,, так как управляющий ток равен нулю. При отпуокании кнопки St конденсатор Ct разрядится через резистор R1 и устройство возвратится в исходное состояние. Для повторного включения необходимо вновь нажать кнопку Si.

Сопротивления резисторов R1 — R3 рассчитываются из условий, определяю­щих допустимый режим тринистора:

R1 + R3>Um/Iу.0т.и; R2>Uт/Iос.п,

Для сети переменного тока с частотой 50 Гц постоянные времени TI и Т2 дол­жны быть приблизительно равны т1=l,5-10~3 с и Т2=5*10~3 с..

Тринистор VSi должен иметь напряжение в закрытом состоянии U3C>Um, Допустимое обратное напряжение диодов VDi — VD3 должно быть не менее значения Um, а у тринистора VSi может не нормироваться.

15. Выключатели с временной задержкой

С помощью тринисторов и динисторов можно создавать коммутацион­ные устройства с устанавливаемой выдержкой времени (бесконтактные реле времени). Такие устройства используются для включения или отключения на­грузки через определенный заранее установленный промежуток времеки после приложения управляющего сигнала или срабатывания механического (электро­механического) переключателя.

Широкое распространение в бесконтактных реле времени находят трини-сторы. В таких устройствах нагрузка непосредственно включается в анодную цепь прибора, а момент подачи сигнала на управляющий электрод задержи­вается относительно момента включения анодного питания. Для получения вре­менных выдержек и формирования управляющих сигналов для тринисторов ча­сто используются релаксационные генераторы на однопереходных транзисторах (см. § 8).

Выключатель (рис. 28,а) подает напряжение на нагрузку через некоторое время t3 после включения напряжения источника питания. Рабочее напряжение и ток выключателя определяются выбранным типом тринистора. Управляется тринистор VS1 однопереходным транзистором VT1, который работает в режиме релаксационного генератора и формирует одиночные импульсы.





Рис. 28. Тринисторные выключатели с временной задержкой с однопереходны­ми транзисторами:

а — схема с задержкой времени включения; б — схема устройства, автоматически отключа­ющего нагрузку через определенное время

После подачи напряжения питания тринистор и однопереходный транзистор остаются закрытыми, а конденсатор C1 начинает заряжаться через резисторы R1 и R2. Конденсатор заряжается до тех пор, по-ка напряжение на нем не до­стигнет значения UЭл,кв при котором переход эмиттер — база 1 однопереходно-го транзистора включается в прямом направлении. В этот момент транзистор откроется и конденсатор Ci разрядится через его цепь эмиттер — база 1 и ре­зистор Rb. Положительный импульс, снимаемый с этого резистора, откроет три­нистор, и напряжение источника питания окажется приложенным к нагрузке RB. После открывания тринистора VSi напряжение на генераторе становится равным сумме падений напряжений на открытом тринисторе Uoc и проводящем-диоде VD2. Эти напряжения малы, поэтому генерация импульсов прекращается.

Длительность задержки ta определяется постоянной времени цепи (R1+R2)C1 релаксационного генератора, которая регулируется резистором R2, к напряжением включения однопереходного транзистора и может быть рассчи­тана по формуле (14).

Выключатель (рис. 28,6) через определенное время автоматически отклю­чает нагрузку Ru от источника питания Uпит. В этом устройстве для закры­вания тринистсра VS1 используется коммутирующий конденсатор С1, который подключается к тринистору с помощью однопереходного транзистора VT1.

Устройство работает следующим образом. При подаче напряжения питания тринистор VS1 и однопереходный транзистор VTi остаются закрытыми, а на­пряжение на конденсаторе C1 равно нулю. С приходом сигнала «Вкл.» тринистор VS1 открывается и напряжение источника питания прикладывается к нагрузке Rн. После открывания тринистора коммутирующий конденсатор С4 заряжается через резистор R1 и открытый тринистор до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет значения, при котором переход эмиттер — база 1 однопереходного транзистора VT1 включается в прямом направлении.


В этот момент открывает­ ся однопереходный транзистор, коммутирующий конденсатор подключается к тринистору (отрицательная обкладка к аноду, положительная — к катоду) к закрывает его. Нагрузка отключается от источника питания.

Интервал времени, в течение которого напряжение источника питания пода­ется на нагрузку, можно вычислить по формуле (14). Емкость конденсатора СЧ определяется по формуле (18). Сопротивление резистора Ri в обеих схемах выключателей должно обеспечивать выполнение условия (13).

В устройстве рис. 28,а однопереходный транзистор открывается напряже­нием Uci, снимаемым с конденсатора Ci и имеющим экспоненциальную форму. При больших выдержках времени включение однопереходного транзистора про­исходит напряжением пологого (конечного) участка экспоненты, поэтому ста­бильность устанавливаемой временной выдержки невелика. Для получения боль­ших временных выдержек (порядка нескольких минут и более) с высокой ста­бильностью можно использовать каскадное включение двух релаксационных ге­нераторов на однопереходных транзисторах. Схема такого выключателя пока­зана на рис. 29.



Рис. 29. Схема выключателя с временной задержкой с двумя однопереходными транзисторами.

На однопереходном транзисторе VTi собран релаксационный автогенератор (на схеме показан штриховой линией), который начинает работать сразу после подачи напряжения питания UПиТ. Выходным напряжением генератора через трансформатор Т1 и диод VDi заряжается основной времязадающий конденсатор С2, который используется в генераторе одиночных импульсов на однопереход­ном транзисторе VT2. Напряжение на конденсаторе С2 имеет форму нарастаю­щей ступенчатой кривой (рис. 29), причем горизонтальная часть каждой сту­пеньки равна периоду повторения импульсов автогенератора на транзисторе VT1, а высота ступеньки определяется напряжением на вторичной обмотке транс­форматора T1. Как только напряжение на конденсаторе С2 достигнет значения UЭ вкл 2 однопереходного транзистора VT2, последний отпирается, включается тринистор VS1 и к выводам нагрузки Rн прикладывается напряжение источника питания.


Если напряжение для питания генераторов взято с анода тринистора, то после открывания последнего оно становится Uoc=1... 2 В и оба генератора выключаются.

Сумма сопротивлений резисторов R1+R2 должна удовлетворять условию (13). Период повторения импульсов генератора на транзисторе. VТ1 не крити­чен, устанавливается опытным путем и должен быть значительно меньше необ­ходимой выдержки времени, которая регулируется резистором R1, Напряжение питания генераторов на однопереходных транзисторах стабилизировано стаби­литроном VD2.

Трнлпсторы в рассмотренных выключателях (рис. 28, 2Э) выбираются по требуемому току нагрузки (5) и напряжению питания (2).

Конденсаторы, используемые во времязадающих цепях (C1, C2 на рис. 28, 29). должны иметь незначительные токи утечки. При относительно небольших задержках (когда емкость не превышает десятые доли микрофарады) могут ис­пользоваться бумажные конденсаторы, а при задержках около минуты и более (емкость может составлять несколько десятков и даже сотен микрофарад) — оксидно-полупроводниковые или электролитические конденсаторы.

Выключатель (рис. 30) подает напряжение на нагрузку в течение опреде­ленного заранее установленного интервала времени, а затем автоматически от­ключает питание от нагрузки. Устройство построено без использования однопе­реходного транзистора и содержит два тринистора: основной VSi и вспомога­тельный VS2, используемый для выключения основного. Необходимая временная задержка обеспечивается RС-цепочкой.



Рис. 30. Схема выключателя с временной за­держкой на двух тринисторах

Исходное состояние вы­ключателя (прибор VSi за­крыт, a VS2 — открыт) уста­навливается автоматически. После подачи напряжения пи­тания Uпит конденсатор С2 че­рез резисторы Ri — R3 заряжа­ется до напряжения пробоя стабилитрона VD2, при этом открывается тринистор VS2. Сопротивление резистора RI выбирается таким, чтобы пря­мой ток тринистора VS2 был больше удерживающего тока, т.


е. Iпр 2=U1(R1>IУД 2. Открытый тринистор VS2 шунтирует свою цепь управления, конденсатор С2 разряжается через диод VD3, резистор R2 и анодную цепь тринистора VS2 и остается разряженным. Коммутирующий конденсатор Ct заряжается до напря­жения источника питания UПмт (полярность напряжения на конденсаторе обо­значена на схеме без скобок). Тринистор VSt остается закрытым, и, следователь­но, ток в нагрузке Rs не протекает.

В таком исходном состоянии устройство находится, пока на управляющий электрод тринистора VSi не будет подан импульс «Вкл.» Этот импульс открыва­ет тринистор VSi, и напряжение источника питания прикладывается к нагруз­ке. Одновременно напряжением коммутирующего конденсатора Ci выключает­ся тринистор VS2, а конденсатор d через резистор Ri перезаряжается (поляр­ность напряжения перезаряженного конденсатора на схеме обозначена в круг­лых скобках).

С момента выключения тринистора VS2 конденсатор С2 вновь начинает за­ряжаться через резисторы Ri — Rs. Как только напряжение на нем достигнет значения пробивного напряжения стабилитрона VD2, в цепи управления трини­стора VS2 появляется ток и прибор открывается. Тринистор VSi отрицатель­ным напряжением перезаряженного коммутирующего конденсатора Ci закры­вается, и нагрузка отключается от источника питания. Устройство возвращает­ся в исходное состояние, при котором тринистор VSi закрыт, a VS2 открыт. С приходом следующего импульса «Вкл.» цикл повторяется.

Таким образом, время ta, в течение которого напряжение питания подается на нагрузку, определяется продолжительностью заряда конденсатора С2 до на­пряжения пробоя стабилитрона VD2 и может регулироваться элементами Rs и С2. Это время (при условии R1+R2>R3) рассчитывается по формуле



где Ui — стабилизированное напряжение, от которого заряжается конденсатор С2; Uz — напряжение стабилизации стабилитрона VD2.

Стабилитрон VD2 выбирается из условий (11). Стабилитрон VDi стабили­зирует напряжение питания времязадающей цепи.


Емкость конденсатора Ci определяется по формуле (18). Этот конденсатор должен быть с бумажным ди­электриком, поскольку полярность напряжения на нем изменяется.



Рис. 31. Схема двухступенчатого выключателя переменного тока

Рассмотрим выключатели с выдерж­кой времени, работающие на перемен­ном токе. Выключатель (рис. 31) позво­ляет подавать напряжение питания на нагрузку (например, лампы накалива­ния) автоматически двумя ступенями с выдержкой времени между ними. Схе­ма этого устройства, no-существу, пред­ставляет собой одно плечо однофазного выключателя (рис. 25,6). Здесь управ­ляющее напряжение для тринистора получается с помощью бестрансформатор­ного однополупериодного выпрямителя, собранного на диоде VDi, резисторе Ri, конденсаторе Ci и стабилитроне VD2. После подачи напряжения питания (за­мыкания выключателя Qi) через диод VDZ и нагрузку RB ток проходит только в те периоды напряжения сети, когда положителен нижний (по схеме) провод источника питания. Пока тринистор VSt закрыт, к нагрузке подводится поло­винная мощность (выключатель работает на первой ступени). Одновременно после замыкания Qi начинает заряжаться конденсатор Ct через диод VDi и резистор Ri. Когда напряжение на Ci достигает значения, достаточного для включения тринистора VSi, последний начинает открываться в начале каждого положительного полупериода напряжения на аноде, и через нагрузку ток бу­дет протекать в течение обоих полупериодов напряжения сети (устройство ра­ботает на второй ступени). Интервал времени с момента замыкания контактов .выключателя Q1 до момента, когда на нагрузку подается полное напряжение питания, зависит от постоянной времени цепи RiCi и значения напряжения пи­тающей сети. При напряжении сети 220 В задержка, равная нескольким секун­дам, получается при R1 = 30...50 кОм, С1 = 2.00... 400 мкФ.

Стабилитрон VD2 фиксирует постоянный уровень напряжения на управля­ющем электроде тринистора. Тринистор VS1 и диод VD3 выбираются в зависи­мости от тока нагрузки и напряжения источника питания, как и для выключа­теля рис. 25,6.



Выключатель ( на рис. 32 выделен штриховой линией) при нажатии кноп­ки подключает нагрузку на короткое фиксированное время к сети переменного тока, а затем автоматически отключает ее. Таким устройством можно, напри­мер, оснастить обычный сварочный аппарат, которым при этом можно будет производить и точечную сварку (рис. 32).

Выключатель с выдержкой времени работает следующим образом. Напря­жение сети (127 или 220 В) через понижающий трансформатор Т1 с выходным напряжением 25... 30 В поступает на выключатель (рис. 25,а), состоящий из диодного моста VD1 — VD4 и тринистора VS1, в анодную цепь которого включе­на катушка реле K1. Тринистор и реле питаются выпрямленным и сглаженным конденсатором C1 напряжением. Контакты реле K1.1, включенные последова­тельно в цепь первичной обмотки сварочного трансформатора Тг, нормально замкнуты, а контакты Ki.z, шунтирующие конденсатор С2 времязадающей це­почки RC, нормально разомкнуты. При разомкнутом выключателе Qi устройст­во отключено и никакого влияния на работу сварочного аппарата не оказывает. После подачи напряжения на выключатель (замыкании контактов Q1) тридистор VS1 остается закрытым, поскольку его выводы анод — катод шунтируются нормально замкнутыми контактами кнопки S1. Реле Ki при этом сра­ботает (ток катушки проходит от источника через замкнутые контакты кнопки Si), его контакты К1.1 разомкнутся, a K1.2 — замкнутся и конденсатор С2 раз­рядится.



Рис. 32. Схема выключателя переменного тока с устанавливаемым временем по­дачи напряжения на нагрузку

Теперь сварочный аппарат переходит в режим точечной сварки и управля­ется только кнопкой S1. Для подачи напряжения на сварочные электроды сле­дует нажать кнопку S1, при этом ее контакты размыкаются, ток через катушку реле прерывается, в результате чего контактные группы принимают исходное состояние: К1.1 замыкается, a K1.2 размыкается. Напряжение сети подается на первичную обмотку трансформатора T2, и происходит процесс сварки.


Посколь­ку контакты K1.2 разомкнуты, конденсатор С2 заряжается выпрямленным на­ пряжением через резисторы R2, R3. Когда напряжение на конденсаторе достиг­нет значения напряжения отпирания тринистора VS1, последний откроется и включит реле K1, контакты К1.1 вновь разомкнутся, а контакты K1.2 — замкнутся и конденсатор С2 разрядится. Напряжение с первичной обмотки трансформато­ра T2 снимается, и процесс сварки прекращается. Тринистор VSi остается от­крытым, пока нажата кнопка S1, при ее отпускании тринистор закрывается и устройство возвращается в исходное состояние. Для повторной сварки следует вновь нажать кнопку S1.

Длительность сварочного импульса tсв зависит только от постоянной вре­мени (R2+R3)C2, значения выпрямленного напряжения U1 и напряжения Uу.от тринистора и может быть вычислена по формуле



Требуемое значение tCB (обычно около 1 с) устанавливается переменным резистором R2. Отметим, что время tсв не зависит от того, как долго была на­жата кнопка Si. Допустимый прямой ток тринистора должен быть больше то­ка срабатывания реле (контактора), которое выбирается так, чтобы его контак­ты K1.1 могли пропускать ток первичной обмотки сварочного трансформа­тора Т2.



Рис. 33. Схема выключателя перемен­ного тока с задержкой момента отклю­чения

На рис. 33 изображена несколь­ко видоизмененная схема выключате­ля с тринистором и диодным мостом (рис. 25,а): дополнительно введены диод VD5 и конденсатор C1. Такое устройство кроме своей основной фун­кции — . включать в отключать на­грузку в цепи переменного тока по­зволяет на некоторое время задер­жать отключение нагрузки (например, осветительных ламп) от источника питания после размыкания выключателя St. Суммарное сопротивление резисто­ров R1+R2 должно удовлетворять требованию (12), и поэтому при замыкании контактов S1 выключатель работает аналогично рассмотренному выше устрой­ству (рис. 25,а), а конденсатор C1 остается разряженным. После размыкания контактов выключателя S1 начинает заряжаться конденсатор С4 от положи­тельного пульсирующего напряжения, имеющегося на аноде тринистора VSi. Ток заряда .конденсатора С4 проходит по цепи: резистор Rz, диод VD$, управ­ляющий электрод — катод тринистора.


Таким образом, тринистор VSi остается открытым и после размыкания выключателя S1, а нагрузка RH — подключенной к источнику питания. По мере заряда конденсатора ток управляющего элект­рода уменьшается, и, когда он снизится до значения неотошрающего тока уп­равления Iу.нот, тринистор закроется, а нагрузка обесточится. Задержка време­ни отключения нагрузки зависит от постоянной времени RzCi, напряжения пи­тающей сети и значения тока Iу.нот и может составлять несколько десятков се­кунд. При очередном замыкании контактов S1 конденсатор С4 разрядится че­рез резистор R1; тринистор VS1 вновь откроется и на нагрузку будет подано на­пряжение питания.

16. Защитные устройства

Высокое быстродействие тринисторов и их способность выдерживать значительные кратковременные перегрузки по току позволяют создавать на ос­нове этих приборов весьма эффективные электронные устройства защиты и бло­кировки для автоматического отключения нагрузки от источника питания.

Простое защитнее устройство (рис. 34) выполняет функции плавкого пре­дохранителя и включается между источником постоянного напряжения и на­грузкой. В устройстве используются тринистор VSi и реле Ki. Контакты Ki.i реле, которые должны быть рассчитаны на полный ток нагрузки, нормально ра­зомкнуты, и в исходном состоянии напряжение на нагрузку не подается. Чтобы подключить питание к нагрузке, необходимо кратковременно нажать кнопку S1. При этом сработает реле K1 и его контакты K1.1, служащие одновременно и для самоблокировки реле, замкнутся. В цепь питания нагрузки последователь­но включен безындукционный резистор Rz. Падение напряжения на этом рези­сторе, пропорциональное току нагрузки, подается на управляющий электрод три­нистора VS1. Сопротивление резистора R2 выбирается таким, чтобы при мак­симальном токе нагрузки Iп max падение напряжения на Rz не превышало не-отпнрагощего напряжения управления тринистора, т. е. Iн maxR2<Uу.нот. Таким образом, при токах нагрузки от Iн min до Iн mах тринистор VS1 остается за­крытым.



Рис. 34. Схема защитного устройства от перегрузок по току с использованием тринистора и реле

---

---