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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Esperimenti divertenti: una famiglia di tiristori. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Radioamatore principiante Spesso puoi ascoltare e leggere la parola "tiristore" nelle popolari riviste di ingegneria radiofonica. Stiamo parlando di un dispositivo a semiconduttore. Ma, sfortunatamente, un dispositivo del genere non esiste, poiché i tiristori sono una classe di dispositivi. Comprende un dinistor (tiristore diodo), un trinistore (tiristore triodo) e un triac (tiristore simmetrico). Li conosceremo attraverso divertenti esperimenti. Iniziamo con dinistor. Ogni dispositivo a semiconduttore della classe dei tiristori è una "torta" di diversi strati che formano una struttura a semiconduttore di giunzioni pn alternate. Il dinistor ha tre di queste transizioni (Fig. 1), ma le conclusioni vengono tratte solo dalle regioni estreme (p e n). La superficie del cristallo "torta" con conduttività elettrica di tipo n è solitamente saldata al fondo dell'alloggiamento - questo è il catodo del dinistor e l'uscita dalla superficie opposta del cristallo avviene attraverso un isolante di vetro - questo è l'anodo.
Esternamente, il dinistor (la serie KN102 con indici di lettere AI e il suo analogo con la designazione 2N102 è comune) non è diverso dai diodi raddrizzatori della serie D226. Come nel caso di un diodo, la tensione di alimentazione positiva viene fornita all'anodo del dinistor e quella negativa al catodo. E assicurati di includere un carico nel circuito del dinistor: un resistore, una lampada, un avvolgimento del trasformatore, ecc. Se si aumenta gradualmente la tensione, la corrente attraverso il dinistor aumenterà inizialmente leggermente (Fig. 2). Il dinistor è praticamente chiuso. Questo stato continuerà fino a quando la tensione sul dinistor diventa uguale alla tensione di accensione Uon. In questo momento, nella struttura a quattro strati si verifica un processo di aumento di corrente simile a una valanga e il dinistor passa allo stato aperto. La caduta di tensione ai suoi capi diminuisce drasticamente (questo può essere visto nelle caratteristiche) e la corrente attraverso il dinistore sarà ora determinata dalla resistenza di carico, ma non dovrebbe superare il massimo consentito Iopen.max. Per tutti i dinistori del KN102 serie, questa corrente è 200 mA.
La tensione alla quale si apre il dinistor è chiamata tensione di accensione (Uon) e la corrente corrispondente a questo valore è la corrente di accensione (Ion). Ogni dinistor ha la propria tensione di accensione, ad esempio per KN102A - 20 V e per KN102I - 150 V. Lo stesso La tensione di commutazione per tutti i dinistori della serie è 5 mA. Il dinistor può rimanere nello stato aperto finché la corrente continua che lo attraversa supera la corrente minima consentita Isp, chiamata corrente di mantenimento. Il ramo inverso della caratteristica dinistor è simile allo stesso ramo di un diodo convenzionale. Fornitura di tensione inversa al dinistor superiore all'Urev.max consentito. potrebbe danneggiarlo. Per tutti i dinistori e Uob.max. è di 10 V, mentre la corrente Irev.max. non supera 0,5 mA. Ora che hai acquisito familiarità con alcuni parametri del dinistor, puoi assemblare due generatori e sperimentarli. Generatore di flash luminosi (Fig. 3). Permette di ottenere i lampi luminosi di una lampada ad incandescenza. Quando la spina X1 del generatore viene inserita in una presa di corrente, il condensatore C1 inizierà a caricarsi (solo durante i semicicli positivi). La corrente di carica è limitata dal resistore R1. Non appena la tensione ai suoi capi raggiunge la tensione di accensione del dinistore, il condensatore si scaricherà attraverso di esso e la lampada EL1. Sebbene la tensione sul condensatore sia molto più alta (8 volte!) della tensione operativa della lampada (2,5 V), non si brucerà perché la durata dell'impulso della corrente di scarica è troppo breve.
Dopo che il condensatore si è scaricato, il dinistor si chiuderà e il condensatore inizierà a caricarsi nuovamente. Presto apparirà un nuovo lampo, seguito dal successivo, ecc. Con i dettagli indicati nello schema, i lampi si susseguiranno ogni 0,5 s. Sostituisci il resistore con un altro, ad esempio, con una resistenza inferiore. La frequenza dei focolai aumenterà. E con un resistore di resistenza maggiore diminuirà. Un risultato simile si otterrà diminuendo la capacità del condensatore o aumentandola. Tornando al circuito del generatore originale, installare un condensatore aggiuntivo C2 (può essere di carta o di ossido) con una capacità di diversi microfarad per una tensione di almeno 400 V. I lampi scompariranno. La soluzione è semplice. Quando questo condensatore non era presente, il resistore riceveva Fig. 3 semicicli della tensione di rete, ovvero varia da zero al valore massimo di ampiezza. Pertanto, dopo aver scaricato il condensatore C1, la corrente attraverso il dinistor ad un certo punto (quando la sinusoide passa attraverso lo zero) è scesa a zero e il dinistor si è spento. Quando si collega il condensatore C2, la tensione sul terminale sinistro del resistore secondo lo schema diventa già pulsante, poiché il condensatore inizia a fungere da filtro per un raddrizzatore a semionda e la tensione su di esso non scende a zero. Pertanto, dopo l'apertura del dinistor e il primo lampo della lampada, una piccola corrente continua a fluire attraverso di esso, superando la corrente di mantenimento. Il dinistor non si spegne, il generatore non funziona. È vero, il generatore può essere fatto funzionare (e puoi verificarlo) se aumenti la resistenza del resistore, ma i lampi si verificheranno troppo raramente. Per aumentare la frequenza del flash, provare a ridurre la capacità del condensatore C1. Ciò che accadrà è che l'energia immagazzinata nel condensatore non sarà sufficiente a mantenere una luminosità sufficiente dei lampi. Il dinistor in questo dispositivo può essere, oltre a quello indicato nello schema, KN102B. Condensatore C 1 - ossido di qualsiasi tipo con una tensione nominale non inferiore a 50 V, diodo - con una corrente non inferiore a 50 mA e una tensione inversa non inferiore a 400 V, resistore - con una potenza di almeno 2 W, lampada - con una tensione operativa di 2,5 V e corrente 0,26 A. Generatore di frequenze audio (Fig. 4). Il suo circuito è simile al precedente, ma la lampada a incandescenza è sostituita da un carico ad impedenza maggiore: cuffie TON-2 (BF1), le cui capsule vengono rimosse dall'archetto (non è necessario rimuoverle) e collegati in serie. La capacità del condensatore di carica-scarica (C2) è stata notevolmente ridotta, per cui la frequenza del segnale generato è aumentata (fino a 1000 Hz). Anche la resistenza del resistore limitatore (R2) nel circuito dinistor è aumentata.
Gli elementi rimanenti sono un raddrizzatore a semionda, in cui il condensatore C1 filtra la tensione raddrizzata e il resistore R1 aiuta a ridurre la tensione inversa sul diodo VD1. Se per alimentare il generatore si utilizza una tensione alternata di 45...60 V, la resistenza R1 non è necessaria. Il condensatore C1 può essere di carta, ad esempio MBM, C2 - qualsiasi tipo con una tensione di almeno 50 V, un diodo - qualsiasi con una tensione inversa consentita di almeno 400 V. Non appena la spina X1 viene inserita nella presa di corrente, nelle cuffie apparirà un suono con un determinato tono. Sostituisci il condensatore C2 con un altro di capacità inferiore e la tonalità del suono aumenterà. Se installi un condensatore più grande, i telefoni produrranno un suono più basso. Gli stessi risultati si otterranno cambiando la resistenza del resistore R2: controllalo. Da notare che attualmente vengono prodotti microcircuiti che hanno caratteristiche vicine a quelle dei dinistor, e in alcuni casi possono sostituirli (vedi "Radio", 1998, n. 5, pp. 59-61). E in conclusione, qualche parola sulle precauzioni di sicurezza. Quando si conducono esperimenti con i generatori, non toccare i terminali delle parti con le mani quando la spina X1 è collegata alla rete, non toccare le cuffie, soprattutto non metterle in testa e durante tutte le saldature o i collegamenti delle parti, de -alimentare la struttura e scaricare (con una pinzetta o un pezzo di filo di montaggio) i condensatori. Il successivo dispositivo a semiconduttore della classe dei tiristori è il tiristore. La sua principale differenza rispetto al dinistor è la presenza di un'uscita aggiuntiva, chiamata elettrodo di controllo (CE), da una delle transizioni (Fig. 5) della struttura a quattro strati. Cosa fornisce questa conclusione?
Supponiamo che l'elettrodo di controllo non sia collegato da nessuna parte. In questa versione il tiristore mantiene le funzioni di dinistore e si accende al raggiungimento della tensione anodica Uon (Fig. 6).
Ma non appena si applica almeno una piccola tensione positiva all'elettrodo di controllo rispetto al catodo e quindi si fa passare una corrente continua attraverso il circuito elettrodo di controllo - catodo, la tensione di accensione diminuirà. Maggiore è la corrente, minore è la tensione di accensione. La tensione di accensione più bassa corrisponderà a una certa corrente massima Iу.е, che è chiamata corrente di rettifica: il ramo diretto viene raddrizzato così tanto da diventare simile allo stesso ramo del diodo. Dopo aver acceso (cioè aperto) l'SCR, l'elettrodo di controllo perde le sue proprietà e sarà possibile spegnere l'SCR riducendo la corrente diretta al di sotto della corrente di mantenimento Isp, oppure spegnendo brevemente la tensione di alimentazione (un breve il circuito tra l'anodo e il catodo è accettabile). Il tiristore può essere aperto tramite corrente continua fatta passare attraverso l'elettrodo di controllo o tramite corrente pulsata e la durata dell'impulso consentita è di milionesimi di secondo! Ogni tiristore (molto spesso incontrerai tiristori delle serie KU101, KU201, KU202) ha determinati parametri, che sono forniti nei libri di consultazione e in base ai quali il tiristore viene solitamente selezionato per la struttura assemblata. In primo luogo, questa è la tensione diretta costante consentita (Upr) nello stato chiuso, nonché una tensione inversa costante (Urev) - non è specificata per tutti i tiristori e, in assenza di tale cifra, non è auspicabile applicare tensione inversa ad un dato tiristore. Il parametro successivo è la corrente continua allo stato aperto (Ipr) a una determinata temperatura della custodia consentita. Se il tiristore si riscalda ad una temperatura più elevata, dovrà essere installato su un radiatore - questo di solito è riportato nella descrizione del progetto. Non meno importante è un parametro come la corrente di mantenimento (Iud), che caratterizza la corrente anodica minima alla quale il tiristore rimane nello stato attivo dopo la rimozione del segnale di controllo. Vengono inoltre specificati i parametri limitanti per il circuito dell'elettrodo di controllo: la corrente di apertura massima (Iу.оt) e la tensione di apertura costante (Uу.оt) a una corrente non superiore a Iу.оt. Quando si utilizzano gli SCR delle serie KU201, KU202, si consiglia di includere un resistore di shunt con una resistenza di 51 Ohm tra l'elettrodo di controllo e il catodo, sebbene in pratica, nella maggior parte dei casi, si osservi un funzionamento affidabile senza resistore. E un'altra condizione importante per questi tiristori è che quando la tensione sull'anodo è negativa, la fornitura di corrente di controllo non è consentita. Conduciamo ora alcuni esperimenti per comprendere meglio il funzionamento dell'SCR e le caratteristiche del suo controllo. Fate scorta di un tiristore, ad esempio KU201L, una lampada a incandescenza in miniatura da 24 V, una sorgente di tensione costante di 18...24 V con una corrente di carico di 0,15...0,17 A e una sorgente di tensione alternata di 12...14 V (ad esempio, una rete un trasformatore da un vecchio ricevitore o registratore con due avvolgimenti secondari da 6,3 V con una corrente fino a 0,2 A, collegati in serie). Come aprire un trinistor (Fig. 7). Impostare il motore del resistore variabile R2 nella posizione inferiore secondo lo schema, quindi collegare la cascata di tiristori a una fonte di corrente continua. Premendo il pulsante SB1, spostare dolcemente il cursore del resistore variabile lungo il circuito finché la lampada HL1 non si accende. Ciò indicherà che il tiristore si è aperto. È possibile rilasciare il pulsante, la lampada continuerà a illuminarsi.
Per chiudere il tiristore e riportarlo allo stato originale, è sufficiente spegnere brevemente la fonte di alimentazione. La lampada si spegnerà. Premendo nuovamente il pulsante si apre il tiristore e si accende la lampada. Ora prova a spegnerlo in un altro modo: con il pulsante rilasciato, per esempio brevemente, con una pinzetta, chiudi i terminali dell'anodo e del catodo, come mostrato in Fig. 7 con linea tratteggiata. Per misurare la corrente di apertura dell'SCR, collegare un milliamperometro al circuito aperto dell'elettrodo di controllo (nel punto A) e, spostando dolcemente il cursore del resistore variabile dalla posizione inferiore a quella superiore (con il pulsante premuto), attendere fino a quando la lampada si accende. L'ago del milliamperometro registrerà il valore di corrente desiderato. O forse vorresti sapere qual è la corrente di mantenimento di un SCR? Collegare quindi il milliamperometro al circuito aperto nel punto B, e in serie ad esso un resistore variabile (con valore nominale di 2,2 o 3,3 kOhm), la cui resistenza deve essere prima rimossa. Con l'SCR aperto, aumentare la resistenza del resistore aggiuntivo finché l'ago del milliamperometro non ritorna bruscamente a zero. La lettura del milliamperometro prima di questo momento è la corrente di mantenimento. Il trinistor è comandato da un impulso (Fig. 8). Modificare leggermente lo stadio del tiristore eliminando il resistore variabile e introducendo il condensatore C1 con una capacità di 0,25 o 0,5 μF. Ora la tensione continua non viene fornita all'elettrodo di controllo, sebbene ciò non renda incontrollabile il tiristore.
Dopo aver applicato la tensione di alimentazione alla cascata, premere il pulsante. Il condensatore C1 si caricherà quasi istantaneamente e la sua corrente di carica sotto forma di impulso passerà attraverso il resistore R2 e l'elettrodo di controllo collegati in parallelo. Ma anche un impulso così a breve termine è sufficiente per l'apertura del tiristore. La lampada si accenderà e, come nel caso precedente, rimarrà in questo stato anche dopo il rilascio del pulsante. Il condensatore si scaricherà attraverso i resistori R1, R2 e sarà pronto per il successivo impulso di corrente. Ora prendiamo un condensatore all'ossido C2 con una capacità di almeno 100 uF e lo colleghiamo momentaneamente nella polarità appropriata ai terminali dell'anodo e del catodo dell'SCR. Anche un impulso di corrente di carica passerà attraverso il condensatore. Di conseguenza, il tiristore verrà bypassato (i terminali indicati sono chiusi) e, naturalmente, si chiuderà. SCR nel regolatore di potenza (Fig. 9). La capacità dell'SCR di aprirsi a diverse tensioni anodiche a seconda della corrente dell'elettrodo di controllo è ampiamente utilizzata nei regolatori di potenza che modificano la corrente media che scorre attraverso il carico.
Per familiarizzare con questa "professione" di un trinistore, assembla un layout dalle parti mostrate nel diagramma. In un raddrizzatore a onda intera, possono funzionare sia i singoli diodi che un ponte di diodi già pronto, ad esempio le serie KTs402, KTs405. Come puoi vedere, non è presente alcun condensatore di filtro all'uscita del raddrizzatore: qui non è necessario. Per monitorare visivamente i processi che si verificano nella cascata, collegare in parallelo al carico un oscilloscopio funzionante in modalità automatica (o standby) con sincronizzazione interna (lampada HL1). Impostare il cursore del resistore variabile R2 nella posizione superiore secondo lo schema (la resistenza viene rimossa) e applicare una tensione alternata al ponte a diodi. Premere il pulsante SB1. La lampada si accenderà immediatamente e sullo schermo dell'oscilloscopio (diagramma a) apparirà un'immagine dei semicicli di un'onda sinusoidale (diagramma a), caratteristica della rettifica a onda intera senza condensatore di livellamento. Rilasciare il pulsante e la lampada si spegnerà. Tutto è corretto, perché il tiristore si chiude non appena la tensione sinusoidale passa per lo zero. Se all'uscita del raddrizzatore è installato un condensatore all'ossido di filtraggio, non consentirà alla tensione raddrizzata di scendere a zero (la forma della tensione per questa opzione è mostrata nel diagramma con una linea tratteggiata) e la lampada non si spegnerà dopo rilasciando il pulsante. Premere nuovamente il pulsante e spostare dolcemente il cursore del resistore variabile verso il basso lungo il circuito (immettere la resistenza). La luminosità della lampada inizierà a diminuire e la forma della “semionda sinusoidale” inizierà a distorcersi (diagramma b). Ora la corrente attraverso l'elettrodo di controllo diminuisce rispetto al valore originale e quindi il tiristore si apre con una tensione di alimentazione più elevata, cioè, parte dell'onda semisinusoidale, il tiristore rimane chiuso. Poiché ciò riduce la corrente media attraverso la lampada, la sua luminosità diminuisce. Con un ulteriore spostamento del cursore del resistore, e quindi una diminuzione della corrente di controllo, il tiristore può aprirsi solo quando la tensione di alimentazione raggiunge praticamente il suo massimo (schema c). Una successiva diminuzione della corrente attraverso l'elettrodo di controllo comporterà la mancata apertura dell'SCR. Come puoi vedere, modificando la corrente di controllo, e quindi l'ampiezza della tensione sull'elettrodo di controllo, è possibile regolare la potenza sul carico entro un intervallo abbastanza ampio. Questa è l'essenza del metodo dell'ampiezza per controllare un tiristore. Se è necessario ottenere ampi limiti di controllo, viene utilizzato il metodo di fase, in cui la fase della tensione sull'elettrodo di controllo viene modificata rispetto alla fase della tensione anodica. Non è difficile passare a questo metodo di controllo: basta collegare un condensatore all'ossido C1 con una capacità di 100...200 μF tra l'elettrodo di controllo e il catodo SCR. Ora il tiristore potrà aprirsi a piccole ampiezze della tensione anodica, ma già nella seconda “metà” di ogni semiciclo (diagramma d). Di conseguenza, i limiti di variazione della corrente media attraverso il carico, e quindi della potenza rilasciata su di esso, si espanderanno in modo significativo.
Analogico Trinistore. Succede che non è possibile acquistare il tiristore richiesto. Può essere sostituito con successo da un analogo assemblato da due transistor di strutture diverse. Se una tensione positiva (rispetto all'emettitore) viene applicata alla base del transistor VT2, il transistor si aprirà leggermente e la corrente di base del transistor VT1 lo attraverserà. Anche questo transistor si aprirà leggermente, il che porterà ad un aumento della corrente di base del transistor VT2. Il feedback positivo tra i transistor porterà alla loro apertura a valanga. I transistor analogici vengono selezionati in base alla corrente di carico massima e alla tensione di alimentazione. La transizione di controllo sia dell'analogico che del tiristore è alimentata con una tensione (o segnale di impulso) di sola polarità positiva. Se, a causa delle condizioni operative del dispositivo in progettazione, può apparire un segnale negativo, l'elettrodo di controllo deve essere protetto, ad esempio, accendendo un diodo (catodo sull'elettrodo di controllo, anodo sul catodo dell'SCR). L'ultimo dispositivo della famiglia dei tiristori è un triac (Fig. 11), simmetrico tiristore. Come il tiristore, è realizzato in un alloggiamento simile con gli stessi terminali di anodo, elettrodo di controllo e catodo. Il triac ha una struttura multistrato complessa con giunzioni elettrone-lacuna. Da una delle transizioni viene creata un'uscita di controllo (CE).
Poiché entrambe le regioni estreme della struttura hanno lo stesso tipo di conduttività, se sugli elettrodi del triac è presente una tensione adeguata, gli impulsi di corrente possono attraversarlo in entrambe le direzioni. I triac comuni che incontrerai nella pratica radioamatoriale sono la serie KU208. Autore: B.Ivanov
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