Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

6. Шелестов И. П. Радиолюбителям: полезные схемы. Книга 2. — М.: СОЛОН-Р, 2001.

Глава 13

ОСНОВЫ СХЕМОТЕХНИКИ ИЛИ КАК ПРИДУМАТЬ СХЕМУ

Любой электронный элемент сам по себе — вещь довольно бессмысленная, поскольку в отдельности его вряд ли удастся использовать. Только соединение элементов в электрические схемы по определенным правилам позволяет строить работоспособные конструкции, добиваться от них желаемых результатов.

Этой областью радиоэлектроники занимается отдельное техническое направление — схемотехника. Современная схемотехника накопила знания не только о том, как соединять отдельные (дискретные) элементы. Проделана большая работа, в результате которой появились элементы, включающие части готовых электрических схем, — интегральные микросхемы. В этой главе мы познакомимся с интересными схемотехническими идеями, реализованными на дискретных элементах и на микросхемах.

Зачем нужны тиристоры и симисторы

Достаточно, чтобы слова выражали смысл.

Конфуций

Эти полупроводниковые приборы появились уже после изобретения транзисторов и быстро нашли свое место в электронной силовой технике. Сегодня тиристорные регуляторы применяются для преобразования электрической энергии, для управления мощными электродвигателями, нагревателями и другими нагрузками в автоматических системах. Они позволяют коммутировать большие токи при минимальной мощности управления и очень стойки к перегрузкам. Так как нам с такими элементами не раз придется столкнуться на практике, давайте познакомимся с ними поближе.

Наиболее часто можно встретить четыре разновидности тиристоров: динисторы, симисторы, тринисторы (обычные и запираемые). Самый простой из них — двухэлектродный прибор: динистор. Его условное обозначение и устройство показаны на рис. 13.1.

Рис. 13.1. Упрощенное внутреннее строение, условное обозначение на схеме и вольт-амперная характеристика динистора

Как видно из этого рисунка, динистор представляет собой 4-слойный полупроводник с чередующимися областями р- и n-типа. В отличие от биполярного транзистора, где имеется только два р-n-перехода, у тиристора их уже 3, из-за чего появляются особые свойства. В обычном состоянии динистор ведет себя как обратносмещенный полупроводниковый диод, то есть диод, включенный в обратном направлении, — он не проводит ток. Кстати, отличие динистора от диода в этом состоянии все же есть: он не проводит ток в обе стороны. Но — до определенного предела. Если в схеме, показанной на рис. 13.1, повышать напряжение источника G1 до значения, равного напряжению включения (Uвкл), динистор откроется, и его сопротивление скачком станет маленьким. Но самое интересное заключается как раз в другом: при открывании через динистор потечет ток, и напряжение на нем (в открытом состоянии) установится на уровне 1,4 В. Чтобы закрыть динистор, требуется снизить ток до уровня тока удержания (Iуд). Обратное включение динистора не имеет смысла, так как в этом положении его свойства не проявляются.

Напряжение включения у динисторов из отечественной серии КН102(А — И), может быть от 20 до 150 В (в зависимости от последней буквы в обозначении), а ток удержания имеет постоянное значение и равен 15 мА. Максимальный постоянный ток в открытом состоянии для всех динисторов этой серии составляет 200 мА. Внешне динисторы похожи на обычные полупроводниковые диоды, так что отличать их придется по маркировке.

Чтобы было более понятно, какую пользу можно извлечь от динистора, надо познакомиться с практическими схемами. Наиболее часто на нем делают генератор низкочастотных импульсов. В некоторых схемах динистор используется просто как пороговый элемент, срабатывающий («открывающийся» при нужном напряжении). Например, на рис. 13.2 показана схема блокиратора второго параллельного телефонного аппарата, если снята трубка на любом из них. В этом случае никто не помешает вашему разговору.

Рис. 13.2. Простейший блокиратор параллельных телефонных аппаратов, выполненный на динисторах

Принцип работы очень простой. Сигнал вызова в телефонной линии имеет большую амплитуду и проходит через открывающиеся динисторы на все аппараты. Но, если снять трубку на любом из аппаратов, то откроется только тот динистор, через который протекает ток удержания (через разговорный узел телефона). При этом в линии напряжение снизится и будет недостаточным для открывания всех остальных, если на них тоже снять трубки.

Главный недостаток динисторов, из-за чего они применяются в схемах чрезвычайно редко, — это невозможность регулировки напряжения включения (порога). Гораздо чаще можно встретить управляемые тринисторы, или, как их еще называют, тиристоры. Тринистор и внешне и по внутренней структуре не отличается от динистора, но имеет дополнительный вывод, называемый управляющим электродом. Вообще, тринистор легко может стать динистором, если на управляющий электрод не подавать никаких сигналов. А вот если между катодом и управляющим электродом включить небольшой источник напряжения G2, как показано на рис. 13.3, напряжение включения начнет снижаться, причем тем больше, чем больше величина напряжения этого источника.

Рис. 13.3. Упрощенное устройство, условное обозначение и вольт-амперная характеристика тринистора (тиристора)

При определенном значении напряжения G2 вольт-амперная характеристика тринистора станет такой, как у полупроводникового диода (он открывается сразу). Управляющий электрод после открывания тринистора теряет свои управляющие свойства. Закрыть тринистор можно уже только так, как это делается у динистора, — уменьшив ток через него ниже тока удержания (это происходит при снижении напряжения).

В качестве примера практического применения тиристора на рис. 13.4 показан простейший регулятор температуры жала паяльника.

Рис. 13.4. Схема регулятора температуры жала паяльника (а) и график, поясняющий работу (б)

Как видно из схемы, тиристор работает только на одной полуволне переменного напряжения(положительной относительно общего провода), а вторая полуволна (отрицательная) проходит в нагрузку через включенный параллельно тиристору диод. Сделано это специально для упрощения схемы — ведь для данного применения нам не нужно регулировать мощность, поступающую в нагрузку, от нуля. Работает тиристорный регулятор довольно просто. Когда начинает возрастать положительная полуволна входного напряжения, стоящие в цепи управляющего электрода резисторы ограничивают ток через управляющий электрод тиристора. От положения регулятора R1 зависит время задержки открывания тиристора (или, как еще говорят, угол открывания), что видно на графике. Конечно, форма напряжения в нагрузке будет уже не синусоидальной, но для нагревателя это значения не имеет. При максимальном значении сопротивления R1 тиристор будет полностью закрыт. Угол открывания можно регулировать в диапазоне, показанном на графике затемненным сектором.

Проверять эту схему лучше при помощи вольтметра постоянного тока, подключенного параллельно нагрузке через мостовой выпрямитель. Тиристор может использоваться любого типа (КУ201, КУ202, Т122), но в этом случае оптимальный номинал резистора R2 придется подобрать экспериментально (он ограничивает ток).

Симистор — это симметричный тиристор, который может работать при обоих полярностях напряжения, то есть пропустить ток в оба направления. Вольт-амперная характеристика и условное обозначение симистора показаны на рис. 13.5.

Рис. 13.5. Условное обозначение и вольт-амперная характеристика симистора

Во всех схемах тиристоры и симисторы применяются как электронные ключи, то есть включатели, управляемые при помощи напряжения, подаваемого на управляющий электрод. Но, в отличие от обычного механического включателя, на электронном ключе в открытом состоянии падает напряжение (около 2 В), что приводит к необходимости использовать для них на больших токах радиаторы теплоотвода.

Общая «беда» всех тиристоров — это невозможность закрыть приборы, находящиеся под током. Управляющий электрод тринисторов и симисторов, как мы знаем, работает только на «открывание». В последнее время, правда, появились так называемые запираемые тиристоры, которые все-таки можно закрыть, подав на управляющий электрод отрицательное (закрывающее) напряжение.