Почему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры. Электрические схемы бесплатно. Регулируемый аналог динистора Номиналы резисторов в аналоге динистора
Динисторы – это разновидность полупроводниковых приборов, точнее – неуправляемых тиристоров. В своей структуре он содержит три p — n перехода и имеет четырёхслойную структуру.
Его можно сравнить с механическим ключом, то есть, прибор может переключаться между двумя состояниями – открытое и закрытое. В первом случае электрическое сопротивление стремится к очень низким величинам, во втором же, наоборот – может достигать десятков и сотен Мом. Переход между состояниями происходит скачкообразно.
Вконтакте
Динистор DB 3
Данный элемент не получил широкого распространения в радиоэлектронике, но всё равно часто применяется в схемах устройств с автоматическим переключением, преобразователях сигналов и генераторов релаксационных колебаний.
Как работает прибор?
Для пояснения принципа работы динистора db 3 обозначим имеющиеся в нём p — n переходы как П1, П2 и П3 следуя по схеме от анода к катоду.
В случае прямого включения прибора к источнику питания, прямое смещение приходится на переходы П1 и П3, а П2, в свою очередь, начинает работать в обратном направлении. При таком режиме, db 3 считается закрытым. Падение напряжения происходит на П2 переход.
Ток в закрытом состоянии определяется током утечки, который имеет очень маленькие значения (сотые доли МкА). Медленное и плавное увеличение подаваемого напряжения, вплоть до максимального напряжения закрытого состояния (напряжения пробоя), не будет способствовать значительному изменению тока. Но при достижении этого напряжения, ток увеличивается скачком, а напряжение, наоборот – падает.
В таком режиме работы, прибор на схеме приобретает минимальные значения сопротивления (от сотых долей ом до единиц) и начинает считаться открытым. Для того чтобы закрыть прибор, то на нём нужно уменьшить напряжение. В схеме с обратным подключением, переходы П1 и П3 закрыты, П2 открыт.
Динистор db 3. Описание, характеристики и аналоги
Динистор db 3 – одна из популярнейших разновидностей неуправляемых тиристоров. Применяется чаще всего в преобразователях напряжения люминесцентных лам и трансформаторов. Принцип работы данного прибора такой же, как и у всех неуправляемых тиристоров, отличия лишь в параметрах.
Характеристики прибора:
- Напряжение открытого динистора – 5В
- Максимальный ток открытого динистора – 0.3А
- Импульсный ток в открытом состоянии – 2А
- Максимальное напряжение закрытого прибора – 32В
- Ток в закрытом приборе – 10А
Динистор db 3 может работать при температурах от -40 до 70 градусов Цельси я.
Проверка db 3
Выход из строя такого прибора– редкое событие, но, тем не менее оно всё-таки может случиться. Поэтому проверка динистора db 3 – важный вопрос для радиолюбителей и ремонтников радиоаппаратуры.
К сожалению, из-за технических особенностей данного элемента, проверить его обычным мультиметром не получится
. Единственное действие, которое можно реализовать с помощью тестера – это прозвонка. Но подобная проверка не даст нам точных ответов на вопросы о работоспособности элемента.
Однако это совсем не означает, что проверить прибор невозможно или просто тяжело. Для действительно информативной проверки о состоянии этого элемента, нам необходимо собрать простенькую схему, состоящую из резистора, светодиода и самого динистора. Подключаем элементы последовательно в следующем порядке – анод динистора к блоку питания, катод к резистору, резистор к аноду светодиода. В качестве источника питания необходимо использовать регулируемый блок с возможностью поднятия напряжения до 40 вольт.
Процесс проверки по данной схеме заключается в постепенном увеличении напряжения на источнике с целью загорания светодиода . В случае рабочего элемента, светодиод загорится при напряжении пробоя и открытии динистора. Проведя операцию в обратном порядке, то есть уменьшая напряжение, мы должны увидеть, как светодиод погаснет.
Помимо данной схемы, существует способ проверки с помощью осциллографа .
Схема проверки будет состоять из резистора, конденсатора и динистора, включение которого будет параллельным конденсатору. Подключаем питание 70 вольт. Резистор – 100кОм. Схема работает следующим образом – конденсатор заряжается до напряжения пробоя и резко разряжается через db3. После процесс повторяется. На экране осциллографа мы обнаружим релаксационные колебания в виде линий.
Аналоги db 3
Несмотря на редкость выхода прибора из строя, иногда это происходит и необходимо искать замену. В качестве аналогов, на которые можно заменить наш прибор, предлагаются следующие виды динисторов :
- HT-32
- Отечественный КН102А
Как мы видим, аналогов прибора очень мало, но его можно заменить некоторыми полевыми транзисторами, по особым схемам включения, например, STB120NF10T4.
Рис. 11.5 Разрез (а), структурная (б) и принципиальная (в) схемы замещения тиристора двумя транзисторами
Для объяснения теории работы тиристора широко используют схему замещения двумя транзисторами VT1 и VT2 (рис.11.5). В этой схеме тиристор мысленно разрезается и раздвигается по переходу j 2 на два транзистора VT1–p 1 –n 1 –p 2 , VT2–n 1 –p 2 –n 2 , соединенных между собой по схеме с ОЭ. При этом для объяснения работы данной схемы можно выделить две цепи: первая цепь – замыкающаяся через Э1-Б1-К2-Э2, вторая цепь – Э1-К1-Б2-Э2.
Рассмотрим основные соотношения между токами транзисторов в схеме замещения.
11.7.1 Принцип работы тиристора по схеме замещения при IG=0
Рассмотрим работу схемы замещения при токе управления IG=0.
Из схемы (рис. 11.5, в) видно:
Ток IК1 в VT1 I K1=IЭ1∙α1+IKO1 (11.1)
Ток IК1
одновременно является IБ2
, т.е. IБ2=IК1
(11.2)
Ток IК2VT2
равен IK2=IЭ2∙α2+IKO2
(11.3)
Ток IК2
одновременно является IБ1
, т.е. IБ1=IK2
(11.4)
где IЭ1, IБ1, IК1
– токи эмиттера, базы и коллектора VT1;
IЭ2, IБ2, IК2 – токи эмиттера, базы и коллектора VT2;
α1, α2 – коэффициенты передачи тока VT1 и VT2;
IKO1, IKO2 – обратный коллекторный ток VT1 и VT2.
Обозначим через ID общий ток утечки p–n перехода j2 , тогда
ID=IKO1+IKO2
.
(11.5)
Из схемы замещения можно записать, что ток анода IA
и катода IK
равны:
IA = IK=IЭ1=IЭ2= IK1+ IK2 ; (11.6)
Подставим значение IK1 и IK2 из (11.1) и (11.3) получим:
IA = IA∙α1+ IA∙α2+ID ; (11.7)
Решим уравнение (11.7) относительно IA найдем
IA=ID /(1–(α1+α2)). (11.8)
Формула (11.8) является основным уравнением для объяснения физических процессов в тиристоре. Используя ее, рассмотрим особенности работы тиристора на участке ОА, когда тиристор закрыт, на АВ – процесс открытия, ВС – включенное состояние.
В транзисторах при малых значениях токов IЭ и IK коэффициенты α1 и α2 малы и (α1+ α2 ) < 1, т.е транзисторы VT1 и VT2 закрыты (тиристор закрыт) – участок ОА ВАХ (рис. 11.3).
С ростом тока IA , а следовательно IЭ1 , IK1 , IЭ2 и IK2
(α1+ α2 ) ≥ 1. (11.9)
Это объясняется тем, что через переход j 2 протекает незначительный ток утечки I D (мА или мкА), поэтому ток I K 1 =I Э1 α 1 будет очень мал. Следовательно, ток I Б2 =I К1 также мал и VT2 практически закрыт, поэтому ток по цепи 1 будет очень мал. Так как VT2 закрыт, то ток по цепи 2 будет мал, следовательно, VT1 будет практически закрыт, т.е. VT1 и VT2 удерживают друг друга в закрытом состоянии.
|
Напряжение между А и К уменьшается до падения напряжения на открытых переходах j1 , j2 , j3 (участок ВС ВАХ). При дальнейшем увеличении напряжения UF ВАХ тиристора аналогична ВАХ диода – участок CD.
11.7.2 Принцип работы тиристора при IG>0 (по схеме замещения)
Рассмотрим работу тиристора по схеме замещения при включении тока управления IG . В этом режиме под действием напряжения управления UG электроны из области n2 дополнительно инжектируются в область p2 , поэтому ток через j2 возрастает.
Для этого режима можно записать следующее уравнение:
IА=IК=IАa1+IАa2+IGa2+ID . (11.11)
Откуда, решив (11.11) относительно IA
IА=(ID+IGa2)/ (11.12)
Из (11.11) видно, что за счет тока IG нарастание тока IА происходит быстрее и a1+a2 приближается к 1 при меньших напряжениях UF . При токе IG2>IG1 напряжение переключения U(ВО)2 тиристора в открытое состояние происходит при меньшем значении U(ВО)1 .
Если IG=IGT , называемым отпирающим током управления, то ВАХ тиристора будет повторять ВАХ диода (рис. 11.3).
11.8 Конструктивное выполнение штыревого тиристора
Как и силовые диоды, тиристоры выполняются двух модификаций: штыревые и таблеточные. Отличительной особенностью от диодов служит изолированный вывод управляющего электрода (УЭ).
Недостаток конструкции: выпрямительный элемент жестко припаян к конструкции. У таблеточных тиристоров он как бы “плавает” (это хорошо).
Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам структуры p-n-p-n, и принадлежат, по сути, к особому классу , четырехслойных, трех (и более) переходных приборов с чередующейся проводимостью.
Устройство тиристора позволяет ему работать подобно диоду, то есть пропускать ток лишь в одном направлении.
И также как у полевого транзистора, у имеется управляющий электрод. При этом как диод, тиристор имеет особенность, - без инжекции неосновных рабочих носителей заряда через управляющий электрод он не перейдет в проводящее состояние, то есть не откроется.
Упрощенная модель тиристора позволяет нам понять, что управляющий электрод здесь аналогичен базе биполярного транзистора, однако имеется ограничение, которое заключается в том, что отпереть то тиристор с помощью этой базы можно, а вот запереть нельзя.
Тиристор, как и мощный полевой транзистор, конечно может коммутировать значительные токи. И в отличие от полевых транзисторов, мощности, коммутируемые тиристорами, могут исчисляться мегаваттами при высоких рабочих напряжениях. Но имеют тиристоры один серьезный недостаток — значительное время выключения.
Для того чтобы запереть тиристор, необходимо прервать или сильно уменьшить его прямой ток на достаточно продолжительное время, за которое неравновесные основные рабочие носители заряда, электронно-дырочные пары, успели бы рекомбинировать или рассосаться. Пока не прерван ток, тиристор будет оставаться в проводящем состоянии, то есть будет продолжать вести себя как .
Схемы коммутации переменного синусоидального тока обеспечивают тиристорам подходящий режим работы — синусоидальное напряжение смещает переход в обратном направлении, и тиристор автоматически запирается. Но для поддержания работы прибора, на управляющий электрод необходимо в каждом полупериоде подавать отпирающий управляющий импульс.
В схемах с питанием на постоянном токе прибегают к дополнительным вспомогательным схемам, функция которых — принудительно снизить анодный ток тиристора, и вернуть его в запертое состояние. А поскольку при запирании рекомбинируют носители заряда, то и скорость переключения тиристора сильно ниже, чем у мощного полевого транзистора.
Если сравнить время полного закрытия тиристора с временем полного закрытия полевого транзистора, то разница достигает тысяч раз: полевому транзистору чтобы закрыться нужно несколько наносекунд (10-100 нс), а тиристору требуется несколько микросекунд (10-100 мкс). Почувствуйте разницу.
Конечно, есть области применения тиристоров, где полевые транзисторы не выдерживают конкуренции с ними. Для тиристоров практически нет ограничений в предельно допустимой коммутируемой мощности — это их преимущество.
Тиристоры управляют мегаваттами мощности на больших электростанциях, в промышленных сварочных аппаратах они коммутируют токи в сотни ампер, а также традиционно управляют мегаваттными индукционными печами на сталелитейных заводах. Здесь полевые транзисторы никак не применимы. В импульсных же преобразователях средней мощности полевые транзисторы выигрывают.
Долгое выключение тиристора, как говорилось выше, объясняется тем, что будучи включенным, он требует для выключения снятия коллекторного напряжения, и подобно биполярному транзистору, у тиристора уходит конечное время на рекомбинацию или удаление неосновных носителей.
Проблемы, которые вызывают тиристоры в связи с этой своей особенностью, связаны прежде всего с невозможностью переключения с высокими скоростями, как это могут делать полевые транзисторы. А еще перед подачей на тиристор коллекторного напряжения, тиристор должен обязательно быть закрытым, иначе неизбежны коммутационные потери мощности, полупроводник чрезмерно при этом нагреется.
Иначе говоря, предельное dU/dt ограничивает быстродействие. График зависимости рассеиваемой мощности от тока и времени включения иллюстрирует эту проблему. Высокая температура внутри кристалла тиристора может не только вызвать ложное срабатывание, но и помешать переключению.
В резонансных инверторах на тиристорах проблема запирания решается сама собой, там выброс напряжения обратной полярности приводит к запиранию тиристора, при условии, что воздействие это достаточно длительное.
Так выявляется главное преимущество полевых транзисторов перед тиристорами. Полевые транзисторы способны работать на частотах в сотни килогерц, и управление сегодня не является проблемой.
Тиристоры же будут надежно работать на частотах до 40 килогерц, ближе к 20 килогерцам. Это значит, что если бы в современных инверторах использовались тиристоры, то аппараты на достаточно высокую мощность, скажем, на 5 киловатт, получались бы весьма громоздкими.
В этом смысле полевые транзисторы способствуют тому, что инверторы получаются более компактными за счет меньшего размера и веса сердечников силовых трансформаторов и дросселей.
Чем выше частота, тем меньшего размера требуются трансформаторы и дроссели для преобразования одной и той же мощности, это знает каждый, кто знаком со схемотехникой современных импульсных преобразователей.
Безусловно, в некоторых применениях тиристоры оказываются очень полезными, например , работающие на сетевой частоте 50 Гц, в любом случае выгоднее изготавливать на тиристорах, они получаются дешевле, чем если бы там применялись полевые транзисторы.
А в , например, выгоднее использовать полевые транзисторы, именно в силу простоты управления переключением и высокой скорости этого переключения. Кстати, при переходе с тиристорной схемы на транзисторную, несмотря на большую стоимость последних, из приборов исключаются лишние дорогостоящие компоненты.
Андрей Повный
В былые времена, когда требовалось выполнять переключения в электрических цепях при возрастании напряжения до некоторого порогового уровня, прибегали к использованию поляризованных электромагнитных реле. Однако существенные габариты и масса, недостаточная надежность кинематики и контактных пар сильно ограничивали применение этих устройств. Нынче на смену им пришли миниатюрные бесконтактные приборчики, именуемые динисторами. Это четырехслойные полупроводниковые диоды, структура которых представляет собой как бы два транзистора: p-n-p и n-p-n типа, причем база одного соединена с коллектором второго, образуя внутренние положительные обратные связи (рис. 1).
Пока приложенное к динистору напряжение Uo невелико, оба транзистора заперты. В результате, общее сопротивление прибора - порядка сотен кОм. Однако при напряжении, несколько превышающем Uо, возросший микроток из коллектора одного транзистора, втекая в базу второго, приоткрывает его.
Вынужденное увеличение тока коллектора второго транзистора усиленно воздействует на базу первого, также приоткрывая его. Этот лавинообразно нарастающий процесс приводит к полному отпиранию всей транзисторной пары, и динистор переходит в проводящее состояние (то есть сопротивление его падает до долей Ома).
Наглядной иллюстрацией может служить вольт-амперная характеристика динистора. Сразу же обращает на себя внимание восходящая ветвь АБ, характеризующая напряжение Uэс, которое данный прибор выдерживает, не теряя закрытого состояния. Ему соответствует нормируемый ток утечки Iэс.
Видно, что при увеличении напряжения на динисторе до порогового уровня (Uвкл) рабочая точка «соскальзывает» по участку БВ характеристики в проводящее состояние (круто идущая вверх линия ВГ), где ток становится максимальным, равным Ioc. Ограничивается он допустимым нагревом, лимитируемым сопротивлением внешнего резистора.
Важным параметром для динистора является минимальный прямой ток удержания Iуд (точка В), ниже которого происходит самовыключение прибора. К числу основных технических характеристик при перемене полярности, несомненно, относятся также обратные напряжение Uо6р и ток Iобр. Для отечественных динисторов самой, пожалуй, распространенной серии КН102 характерны: Iос 200 мА, Uос 1,5 В, Iуд 0,1-15 мА, Iэс 0,15мА,Iобр 0,5 мА. Обозначаемые буквами модификации этих приборов отличаются лишь величинами Uэс, Uобр, Uвкл (см. таблицу). Не лишне также знать, что в реальности показатель Uвкл имеет разброс, нижняя граница которого примерно вдвое ниже обычно публикуемых типовых паспортных данных.
Из сказанного выше ясно: для того, чтобы перевести динистор в выключенное состояние, нужно кратковременно прервать его ток, либо уменьшить (по сравнению с табличным значением Iуд) протекающий через него ток. Конфигурация и габариты всех представителей серии КН102 (рис. 1) аналогичны выпрямительным диодам Д226.
На основе динисторов можно собрать множество устройств: от простейших мультивибраторов и триггеров до сложных конструкций, рассчитанных на опытных радиолюбителей. Публикуемая ниже разработка ориентирована в первую очередь на начинающих самодельщиков. Это нужная в быту (особенно, если дом или дача газифицированы) электронная зажигалка.
Как видно из принципиальной электрической схемы (рис. 2), в состав рекомендуемого устройства входят помехозащитный фильтр C1R1C2R2, включаемый кнопкой SB1 двухдиодный выпрямитель с накопительным конденсатором C3, динистор VS1, импульсный трансформатор Т1 и коаксиальный элемент поджига. Работая в так называемом режиме удвоения, выпрямитель заряжает от бытовой осветительной сети накопительный конденсатор. И когда напряжение на С3 достигнет уровня Uвкл динистора VS1, последний переходит в проводящее состояние. Накопительный конденсатор тут же разряжается на первичную обмотку I импульсного трансформатора Т1. Соответственно, во вторичной обмотке II индуцируется высоковольтный импульс, и между коаксиальными электродами S1, S2 происходит искровой пробой, поджигающий газ из горелки.
Магнитопроводом импульсного трансформатора является ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной около 60 мм. Марка феррита - 400НН. Сначала такой магнитопровод обматывают двумя слоями изоленты. Затем размещают вторичную обмотку, которая содержит 1800 витков провода ПЭВ2-0,08. Далее следуют два новых слоя изоленты, и уже на них укладывают первичную обмотку (десять витков провода ПЭВ2-0,5) Элемент поджига представляет собой металлическую трубку (электрод S1) диаметром до 8 мм со сквозными пропилами, в которой соосно размещается отрезок вязальной спицы (электрод S2). Коаксиальность обеспечивается двумя шайбами-вставками из огнестойкого диэлектрика
Приобретя опыт при изготовлении электронной зажигалки, можно переходить к более сложным схемам, где динистор играет не менее важную роль. Например, в устройстве (рис. 3), позволяющем своевременно заметить ослабление изоляции, скажем, в холодильнике, стиральной машине или любом другом бытовом электроприборе. Включенное между металлическим корпусом используемой техники и «землей», в качестве которой может выступать, например, стальная труба водопровода, оно своевременно просигнализирует о появлении нежелательных 30 В - спутника стареющего электрооборудования.
Указанный уровень напряжения не случаен. Именно он признан еще безопасным для человека, но уже достаточным, чтобы судить о неблагополучии с изоляцией и желательности своевременного ремонта. Поэтому когда на корпусе контролируемой бытовой техники появляется 30 В, динистор VS1 устройства срабатывает, быстро разряжая конденсатор С1 на резистор R2. Возникающий при этом всплеск напряжения кратковременно отпирает транзистор VT1 (КТ3107А), в коллекторной цепи которого - светодиод НИ красного свечения (АЛ307Б).
Поскольку контролируемое переменное напряжение, поступая на схему, становится благодаря диоду VD1 (КД105Б) однополупериодным, постольку после разрядки конденсатора С1 (20 мкФ, 100 В) ток через динистор КН102Б прекращается. Но начинается очередной цикл заряда С1.
Изложенный процесс циклически повторяется с частотой сигнальных вспышек около 1 Гц. Цепь SB1R4 вводится для проверки работоспособности батареи (типа 3R12) путем принудительного отпирания транзистора.
В комплектацию устройства, помимо уже упомянутых радиодеталей, входят МЛТ-0,5 (R1) и МЛТ-0,25 (остальные резисторы), конденсатор К50-29, кнопка однополюсного включения и микротумблер (например, от старого карманного приемника). Большинство из них размещается на монтажной плате из односторонне фольгированного пластика толщиной 1,5 мм. Требуемая конфигурация псевдопечатных проводников достигается прорезанием изолирующих бороздок в токопроводящем слое.
А вот - самодельная конструкция для тех, кто вынужден пользоваться спаренным телефоном. В ее ценности убеждаешься, когда нужно позвонить, а линия, допустим, занята не в меру говорливым соседом. Оперативно получать достоверную информацию о том, что линия освободилась, не поднимая трубку на телефонном аппарате, помогает автоматический извещатель, собранный согласно принципиальной электрической схеме (рис. 4).
Дело в том, что при занятой линии напряжение на вводе в заблокированный аппарат равно нулю, но возрастает примерно до 40 В, когда линия освобождается. На это и реагирует динистор VS1, присоединенный к «плюсовому» проводу линии через цепочку C1R4, электрические параметры которой аналогичны цепи телефонного звонка.
Скачок линейного напряжения преобразуется благодаря конденсатору С1 в одиночный импульс, способный кратковременно отпирать динистор. Как раз такое состояние и фиксируется током, который будет Поступать от батареи GB1 через VS1 и HL1. В итоге - ровное сияние светодиода - своеобразное приглашение к тому, чтобы снять трубку аппарата и выключить не нужный более извещатель.
Роль диода VD1 - не пропустить к батарее сравнительно высоковольтный импульс от линии. Если нет подходящего динистора, то его можно заменить аналогом, собранным на транзисторах VT1 и VT2, показанным на принципиальной электрической схеме рядом с VS1.
Изготовить монтажную плату из фольгированного гетинакса или текстолита размерами 28x25x1,5 мм, думается, не составит особых трудностей. Найдутся и конденсатор К73-9 требуемой емкости, резисторы МЛТ-0,25 нужных номиналов, гальваническая батарея типа 3R12… При наличии внутри корпуса телефона достаточного места плату со смонтированными на ней радиодеталями можно разместить в самом аппарате, выведя наружу светодиод и головку микротумблера. Ну а в качестве источника электропитания использовать батарею, составленную из трех малогабаритных гальванических элементов типа R03 или миниатюрных СЦ-18.
П. ЮРЬЕВ
Заметили ошибку? Выделите ее и нажмите Ctrl+Enter , чтобы сообщить нам.
Схема аналога тиристора (диодного и триодного) на транзисторах. Расчет параметров он-лайн. (10+)
Транзисторный аналог тиристора
В маломощных пороговых и нестандартных схемах транзисторные аналоги диодного (динистора) и триодного (тринистора) тиристоров применяются даже чаще, чем элементы, выполненные в одном кристалле. Причина в том, у серийных тиристоров высокий разброс параметров, а некоторые из очень важных для перечисленных схем параметров вообще не нормируются. А аналог можно изготовить со строго заданными параметрами.
Важнейшими параметрами тиристоров в пороговых и нестандартных схемах являются: ток отпирания (Io ), напряжение отпирания или отпирающее напряжение (Uo ), ток удержания (Ih ), напряжение запирания или напряжение насыщения при токе удержания (Uc ). Смотри вольт-амперную характеристику тиристора .
В силовых схемах аналоги не применяются потому, что сила тока базы каждого транзистора в тиристорном аналоге равна половине всего тока через схему. А у транзисторов, как правило, сила тока базы ограничена довольно небольшой величиной.
К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые.