Стройство тиристора. Тиристорный регулятор

Динистор DB3 является двунаправленным диодом (триггер-диод), который специально создан для управления симистором или тиристором. В основном своем состоянии динистор DB3 не проводит через себя ток (не считая незначительный ток утечки) до тех пор, пока к нему не будет приложено напряжение пробоя.

В этот момент динистор переходит в режим лавинного пробоя и у него проявляется свойство отрицательного сопротивления. В результате этого на динисторе DB3 происходит падение напряжения в районе 5 вольт, и он начинает пропускать через себя ток, достаточный для открытия симистора или тиристора.

Диаграмма вольт-амперной характеристики динистора DB3 изображена ниже:

Цоколевка динистора DB3

Поскольку данный вид полупроводника является симметричным динистором (оба его вывода являются анодами), то нет абсолютно ни какой разницы, как его подключать.

Характеристики динистора DB3

Аналоги динистора DB3

• HT-32
• STB120NF10T4
• STB80NF10T4
• BAT54

Как проверить динистор DB3

Единственное, что можно определить простым мультиметром – это короткое замыкание в динисторе, в этом случае он будет пропускать ток в обоих направлениях. Подобная проверка динистора схожа с .

Для полной же проверки работоспособности динистора DB3 мы должны плавно подать напряжение, а затем посмотреть при каком его значении происходит пробой и появляется проводимость полупроводника.

Источник питания

Первое, что нам понадобится, это регулируемый источник питания постоянного напржения от 0 до 50 вольт. На рисунке выше показана простая схема подобного источника. Регулятор напряжения, обозначенный в схеме — это обычный диммер, используемый для регулировки комнатного освещения. Такой диммер, как правило, для плавного изменения напряжения имеет ручку или ползунок. Сетевой трансформатор 220В/24В. Диоды VD1, VD2 и С1, С2 образуют однополупериодный и фильтр.

Этапы проверки

Шаг 1 : Установите нулевое напряжение на выводах Х1 и Х3. Подключите вольтметр постоянного тока к Х2 и Х3. Медленно увеличивайте напряжение. При достижении напряжения на исправном динисторе около 30 (по datasheet от 28В до 36В), на R1 резко поднимется напряжение примерно до 10-15 вольт. Это связано с тем, что динистор проявляет отрицательное сопротивление в момент пробоя.

Шаг 2 : Медленно поворачивая ручку диммера в сторону уменьшения напряжения источника питания, и на уровне примерно от 15 до 25 вольт напряжение на резисторе R1 должно резко упасть до нуля.

Шаг 3 : Необходимо повторить шаги 1 и 2, но уже подключив динистор на оборот.

Проверка динистора с помощью осциллографа

Если есть осциллограф, то мы можем собрать на тестируемом динисторе DB3 релаксационный генератор.

В данной схеме заряжается через резистор сопротивлением 100k. Когда напряжение заряда достигает напряжения пробоя динистора, конденсатор резко разряжается через него, пока напряжение не уменьшится ниже тока удержания, при котором динистор закрывается. В этот момент (при напряжении около 15 вольт) конденсатор опять начнет заряжаться, и процесс повторится.

Серийно выпускаемые динисторы по электрическим параметрам не всегда отвечают творческим интересам радио­любителей-конструкторов Нет, например, динисторов с напряжением вклю­чения 5...10 и 200...400 В. Все дииисторы имеют значительный разброс значения этого классификационного параметра, который к тому же зависит еще от тем­пературы окружающей среды Кроме то­го. они рассчитаны на сравнительно малый коммутируемый ток (менее 0.2 А), а значит, небольшую комму­тируемую мощность. Исключено плав­ное регулирование напряжения включения, что ограничивает область при­менения динисторов. Все это заставляет радиолюбителей прибегать к созданию аналогов динисторов с желаемыми па­раметрами.

Поиском такого аналога дииистора длительное время занимался и я. Исходным был вариант аналога, состав­ленный из стабилитрона Д814Д и тринистора КУ202Н (рис i).

Пока напряжение на аналоге меньше напряжения стабилизации стабилитрона, аналог закрыт и ток через него не течет. При достижении напряжения стабилизации стабилитрона он открывается сам, от крывает триннстор и аналог в целом. В результате в цепи, в которую аналог включен, появляется ток. Значение это­го тока определяется свойствами тринистора н сопротивлением н aг рузки. Ис­пользуя тринисторы серии КУ202 с буквенными индексами Б, В, Н и один и тот же стабилитрон Д814Д, произведено 32 измерения тока и напряжения вклю­чения аналога дииистора. Анализ показывает. что среднее значение тока включения аналога равно примерно 7 мА. а напряжения включения - 14,5±1 В. Разброс напряжении вклю­чения объясняется неодинаковостью со­противления управляющих р-н перехо­дов используемых трннисторов.

Напряжение включения uвкл , такого аналога можно рассчитать по упрощенной формуле: uвкл =uст+ u yэ где uст - напряжение стабилизации стабилитрона, uуэ - падение наприжения на управляющем переходе тринистора.

При изменении температуры трини­стора падение напряжения на его управляющем переходе тоже изменя­ется, но незначительно. Это приводит к некоторому изменению напряжения включения аналога. Например, для три­нистора КУ202Н при изменении темпе­ратуры его корпуса от 0 до 50 °С на­пряжение включения изменялось в пре­делах 0.3...0,4 % по отношению к значе­нию этого параметра при темперагуре 25 С.

Семейство вольт - амперных характеристик такого варианта аналога показано на рис. 3, их пусковой участок - на рис 4. а зависимость напряжения включения от сопротивления резистора - на рис 5. Как показал анализ напряжение вклю­чения такого аналога прямо пропор­ционально сопротивлению резистора. Это напряжение можно рассчитать по формуле uвкл.р = uст+uуэ+iвкл.уэ*r1 где uв кл р - напряжение включения ре -гулируемого аналога, iвкл у э - ток включения регулируемого аналога ди­иистора по управляющему электроду.

Такой аналог свободен практически от всех недостатков динисторов, кро­ме температурной нестабильности Как известно, при повышении температуры тринистора его ток включения умень­шается. В регулируемом аналоге это приводит к уменьшению напряжения включения и тем значительнее, чем больше сопротивление резистора. По­этому стремиться к большому повышению напряжения включения перемен­ным резистором не cneдуeт, чтобы не ухудшать температурную стабильность работы аналога.

Как показали эксперименты, эта не­стабильность небольшая. Так, для ана­лога с тринистором КУ202Н при изме­нении температуры его корпуса в пределах 10...30 °С напряжение включения изменялось, с резистором i кОм - на ±1.8 %. при 2 кОм - на ±2,6 %, при 3 кОм - на ±3 %, при 4 кОм - на ±3,8 % . Увеличение сопротивления на i кОм приводило к повышению напря­жения порога включения регулируемого аналога в среднем на 20% по сравнению с напряжением включения исход­ного аналога динистора. Следовательно, средняя точность напряжения вклю­чения регулируемого аналога луч­ше 5 %.

Температурная нестабильность ана­лога с триннстором КУ101Г меньше, что объясняется относительно малым током включения (0,8...1,5 мА). Напри­мер. при таком же изменении температуры и резисторе сопротивлением 10, 20, 30 и 40 кОм температурная нестабильность была соответственно +-0.6 %, +-07.%, +-0.8%,+-1%. Уве­личение сопротивления резистора на каждые 10 кОм повышало уровень напряжения включения аналога на 24 % по сравнению с напряжением аналога без резистора. Таким образом, аналог с тринистором КУ101Г обладает высо­кой точностью напряжения включе­ния - его температурная нестабиль­ность менее i %, а с тринистором КУ202Н - несколько худшей точностью напряжения включений (в этом случае сопротивление резистора ri должно быть 4,7 кОм).

При обеспечении теплового контакта между тринистором и стабилитроном температурная нестабильность аналога может быть еще меньшей, поскольку у стабилитронов с напряжением стабили­зации больше 8 В температурный коэф­фициент напряжения стабилизации по­ложителен, а температурный коэффи­циент напряжения открывания тринисторов отрицателен.

Повысить термосгабильность регу­лируемого аналога дииистора с мощным тринистором можно включением переменного резистора в анодную цепь маломощного тринистора (рис. б).

Ре­зистор r 1 ограничивает ток управляю­щего электрода тринистора vsi и повышает напряжение включения его на 12%. А переменный резистор r 2 по­зволяет регулировать напряжение включения трниистора vs 2.

Улучшение температурной стабиль­ности такого варианта аналога обьясняется тем, что с увеличением сопро­тивления резистора r 2 уменьшается ток включения аналога но управляю­щему электроду и увеличивается ток включения ею по аноду. А так как с изменением температуры в этом случае ток управляющего электрода уменьша­ется меньше и что суммарный ток вклю­ чения аналога увеличивается, то для эквивалентного повышения напряжения включения аналога нужно меньшее соп­ротивление резистора r 2 - это и созда­ет благоприятные условия для повы­шения температурной стабильности аналога.

Чтобы реализовать термостабиль­ность такого аналога, ток открывания тринистора vs 2 должен быть 2...3 мА - больше тока открывания тринистора vs1 , чтобы его температурные измене­ния не влияли на работу аналога. Эксперимент показал, что напряжение включения термостабильного аналога при изменении температуры его элемен­тов от 20 до 70 °С практически не из­менилось.

Недостаток такого варианта аналога динистора - сравнительно узкие пре­делы регулировки напряжения включе­ния переменным резистором r 2. Они тем уже, чем больше ток включения тринистора vs 2. Поэтому, чтобы не ухуд­шать термостабильность аналога, надо использовать в нем тринисторы с воз­можно меньшим током включения. Диа­пазон регулировки напряжения включе­ния аналога можно расширить путем применения стабилитронов с различным напряжением стабилизации.

Регулируемые аналоги динистора найдут применение в автоматике и теле­механике, релаксационных генераторах, электронных регуляторах, пороговых и многих других радиотехнических устрой­ствах

Раздел: [Регуляторы мощности]
Сохрани статью в:

Тиристор представляет собой четырехслойное полупроводниковое устройство, транзисторный эквивалент которого можно представить схемой, изображенной на Рисунке 1а.

Устройство остается в выключенном состоянии до тех пор, пока через управляющий электрод 1 (далее называемый «затвор») не будет пропущен положительный импульс тока. После этого четырехслойная структура между анодом и катодом включается, и ток управляющего электрода становится больше не нужным. Для включения тиристора здесь может с равным успехом использоваться и база Q2, однако в монолитных тиристорах обычно используется только один управляющий электрод возле катодной области.

Более реалистичная транзисторная модель, показанная на Рисунке 1б, содержит резисторы между переходами база-эмиттер обоих транзисторов. В результате исключается возможность нежелательного включения токами утечек Q1 и Q2, и ток затвора имеет определенное значение, равное

Одним из общих ограничений тиристоров является скорость нарастания анодного напряжения, которая, в случае превышения определенного порога, становится причиной включения тиристора даже при нулевом токе затвора. Такое напряжение возникает на стороне коммутируемой индуктивной нагрузки в то время, когда ток анода, стремясь к нулю, падает ниже уровня удержания. При этом накопленная в индуктивности энергия стремится резко поднять напряжение на аноде. Напряжение с большой крутизной нарастания возникает также при коммутации резистивных нагрузок комбинацией из двух (как минимум) тиристоров, соединенных подобно аналоговому мультиплексору, когда включение одного из тиристоров вызывает резкое повышение анодного напряжения на другом тиристоре.

Для схемы на Рисунке 1б критическим значением скорости нарастания коммутируемого напряжения будет:

где
V BE0 ≈ 0.7 В, типичное напряжение, при котором открывается кремниевый транзистор,
C CB01 и C CB02 - емкости коллектор-база транзисторов Q1 и Q2.

В связи с тем, что емкости этих конденсаторов уменьшаются с ростом напряжения коллектор-эмиттер, в уравнении (1) следует использовать максимальные значения емкостей. Для транзисторов, использованных в схеме на Рисунке 2, емкости можно оценить величиной C CB01 + C CB02 < 20 пФ. При R B1 = R B2 = 6.8 кОм это дает S Vcrit ≈ 5 В/мкс, что значительно меньше типичной для монолитных тиристоров скорости, достигающей S Vcrit ≈ 100 В/мкс. Ситуацию могло бы исправить снижение сопротивлений резисторов R B1 и R B2 , однако за это пришлось бы заплатить потерей чувствительности затвора. (Изображенная на Рисунке 1б схема может быть сделана настолько чувствительной, что для ее включения будет достаточно тока порядка 100 мкА - одной десятой от тока управления, типичного для маломощных монолитных тиристоров).

Однако есть способ, показанный на Рисунке 1в, который позволяет увеличить критическую скорость нарастания напряжения, сохранив низкий отпирающий ток затвора. Если параллельно переходам база-эмиттер NPN и PNP транзисторов включить по конденсатору C, критическую скорость нарастания, теоретически, можно сделать бесконечной. Величина емкости C равна:

Допустив, что I Bmax = 200 мА, из уравнения (3) мы получим вполне правдоподобное значение S Vcrit ≈ 100 кВ/мкс.

В результате экспериментов для схемы на Рисунке 2 был выбран PNP транзистор , отличающийся самым уверенным и надежным переключением. Его максимальный базовый ток равен 500 мА, а максимальный ток коллектора - 1 А. При скачкообразных изменениях напряжения на аноде изображенного на Рисунке 2 дискретного тиристора (∆V = 9 В за 30 нс, или 300 В/мкс) не произошло ни одного включения.

1. J. L. Moll, M. Tanenbaum, J. M. Goldley and N. Holonyak, «p-n-p-n Transistor Switches», Proc. IRE 44, 1174 (1956)

Динистор это разновидность полупроводниковых диодов относящихся к классу тиристоров. Динистор состоит из четырех областей различной проводимости и имеет три p-n перехода. В электроники он нашел довольно ограниченное применение, ходя его можно найти в конструкциях энергосберегающих ламп под цоколь E14 и E27, где он применяется в схемах запуска. Кроме того он попадается в пускорегулирующих аппаратах ламп дневного света.

Условное графическое обозначение динистора на схеме немного напоминает полупроводниковый диод за одним отличием. У него есть перпендикулярная черта, которая символизирует базовую область, и придающая динистору его необыкновенные параметры и характеристики.

Но как это ни странно изображение динистора на ряде схем бывает и другим. Допустим, изображение симметричного динистора может быть таким:

Такой разброс в условно-графических обозначениях связан с тем, что существует огромный класс полупроводников тиристоров. К которым относится динистор, тринистор (triac), симистор. На схемах все они похожи в виде сочетания из двух диодов и дополнительных линий. В зарубежных источниках этот подкласс полупроводника получил название trigger diode (триггерный диод), diac. На принципиальных схемах он может обозначаться латинскими символами VD, VS, V и D.

Основной принцип работы динистора основывается на том, что при прямом включении он не пропустит электрический ток до тех пор, пока напряжение на его выводах не достигнет заданной величины.

Обычный диод также имеет такой параметр как напряжение открытия, но для него оно лишь пара сотен милливольт. При прямом включении обычный диод открывается как только к его выводам приложить небольшой уровень напряжения.

Чтобы наглядно понять в принцип работы необходимо посмотреть на вольт-амперную характеристику, она позволяет наглядно рассмотреть, как работает этот полупроводниковый прибор.

Рассмотрим ВАХ самого часто встречающегося симметричного динистора типа DB3. Его можно монтировать в любую схему без соблюдения цоколевки. Работать он будет точно, а вот напряжение включения (пробоя) может немного отличаться, где-то на три вольта

Как мы можем видеть обои ветви характеристики, абсолютно одинаковы. (говорит о том, что он симметричный) Поэтому и работа DB3 не зависит от полярности напряжения на его выводах.

ВАХ имеет три области, показывающие режим работы полупроводника типа DB-3 при определенных факторах.

Голубой участок показывает начальное закрытое состояние. Ток через него не идет. При этом уровень напряжения, приложенный к выводам, ниже уровня напряжения включения V BO – Breakover voltage .
Желтый участок это момент открытия динистора когда напряжение на его контактах достигает уровня напряжения включения (V BO или U вкл .). При этом полупроводник начинает открываться и через него проходит электрический ток. Затем процесс стабилизируется и он переходит в следующее состояние.
Фиолетовый участок ВАХ показывает открытое состояние. При этом ток, протекающий через прибор ограничен только максимальным током I max , который можно найти в справочнике. Падение напряжения на открытом триггерном диоде невелико и составляет около 1 – 2 вольт.

Таким образом из графика четко видно, что динистор в своей работе похож на диод за одним большим "НО". Если его пробивное напряжение обычного диода составляет значение (150 – 500 мВ), то для открытия триггерного диода требуется подать на его выводы напряжение от пары десятки вольт. Так для прибора DB3 напряжение включения составляет 32 вольта.

Для полного закрытия динистора, необходимо снизить уровень тока до значения ниже тока удержания. В случае несимметричного варианта, при обратном включении он не пропускает ток до тех пор, пока обратное напряжение не достигнет критического уровня и он сгорит. В радиолюбительских самоделках динистор может использоваться в стробоскопах, переключателях и регуляторах мощности и многих других устройствах.

Основой конструкции является релаксационный генератор на VS1. Входное напряжение выпрямляется диодом VD1 и поступает через сопротивление R1 на подстроечник R2. С его движка часть напряжения следует на емкость С1, тем самым заряжая ее. Если напряжение на входе не выше нормы, напряжения зарядки емкости нехватит для пробоя, и VS1 закрыт. Если уровень сетевого напряжения увеличивается, заряд на конденсаторе тоже возрастает, и пробивает VS1. С1 разряжается через VS1 головной телефон BF1 и светодиод, тем самым сигнализируя об опасном уровне сетевого напряжения. После этого VS1 закрывается и емкость опять начинает накапливать заряд. Во втором варианте схемы подстроечное сопротивление R2 должно быть мощностью не ниже 1 Вт, а резистор R6 - 0,25 Вт. Регулировка этой схемы заключается к установке подстроечными сопротивлениями R2 и R6 нижнего и верхнего предела отклонения уровня сетевого напряжения.

Здесь используется широко распространенный двунаправленный симметричный динистор DB3. Если FU1 цел, то динистор закорочен диодами VD1 и VD2 во время положительного полупериода сетевого напряжения 220В. Светодиод VD4 и сопротивление R1 шунтируют емкость С1. Светодиод горит. Ток через него определяется номиналом сопротивления R2.

Диодные тиристоры - динисторы находят широкое применение в различных устройствах автоматики. Однако такое использование динисторов имеет ряд недостатков, главный из которых заключается в следующем.

Напряжение включения самого низковольтного отечественного динистора КН102А составляет 20 В, а падение напряжения на нем в открытом состоянии - менее 2 В. Таким образом, к управляющему переходу тиристора после включения динистора прикладывается напряжение около 18 В. В то же время максимально допустимое напряжение на этом переходе для распространенных тиристоров серии К У 201, К У 202 равно всего лишь 10 В. А если еще учесть, что напряжение включения динисторов даже одного типа имеет разброс, достигающий 200%, то станет ясно, что управляющий переход тиристора испытывает чрезмерно большие перегрузки. Это и ограничивает применение динисторов для управления триодными тиристорами.

В подобных случаях можно использовать двухполюсники - аналоги динисторов , отличающиеся тем, что их напряжения включения могут быть гораздо меньше напряжения включения самого низковольтного динистора.

Схема одного из аналогов - транзисторного динистора показана на рис. 1. Он состоит из транзисторов разной структуры, включенных так, что ток базы одного из них является током коллектора другого и наоборот. Другими словами, это устройство, охваченное глубокой положительной обратной связью.

Рис. 1

При подключении питания через эмиттерный переход транзистора Т1 течет ток базы, в результате чего транзистор открывается, а это вызывает появление тока базы транзистора Т2.

Открывание этого транзистора приводит к росту тока базы транзистора Т1 , и, следовательно, дальнейшему его открыванию. Процесс протекает лавинообразно, поэтому очень скоро оба транзистора оказываются в насыщенном состоянии.

Напряжение включения такого устройства при использовании, например, транзисторов МП116 и МП113 равно всего лишь нескольким долям вольта, то есть практически не отличается от напряжения насыщения этой пары транзисторов. Это не позволяет использовать такой двухполюсник в качестве переключающего прибора. Если же эмиттерные переходы транзисторов Т1 и Т2 шунтировать резисторами, как показано на рис. 2, то напряжение включения устройства значительно возрастет.

Рис. 2

Причина этого явления - в уменьшении глубины положительной обратной связи, так как в базу каждого транзистора теперь ответвляется только часть коллекторного тока другого. В результате лавинообразный процесс открывания транзисторов протекает при более высоком напряжении. Напряжение включения можно изменять с помощью резисторов R1 и R2 .

Так, при их сопротивлениях, равных 5,1 кОм, напряжение включения составляет 9 В, при 3 кОм- 12 В. Результаты получены при плавном повышении напряжения на двухполюснике. Если же напряжение имеет импульсный характер, то включение может произойти и при меньших его величинах. Дело в том, что транзисторный аналог, как и обычный динистор чувствителен не только к величине приложенного к нему напряжения, но и к скорости его нарастания. Исключить возможность включения при напряжениях, меньших напряжения включения, можно, если шунтировать двухполюсник конденсатором С1 (см. рис. 2).

Рис. 3

Как и у динистора, напряжение включения транзисторного аналога уменьшается при повышении температуры. Этот недостаток легко устраним заменой резисторов R1 и R2 терморезисторами.

Схема другого аналога динистора показана на рис. 3. Напряжение включения такого двухполюсника определяется цепочкой, образованной стабилитроном Д1 и управляющим переходом тиристора Д2 , между которыми распределяется напряжение, приложенное к выводам двухполюсника. Когда это напряжение становится равным напряжению включения, стабилитрон пробивается, и через управляющий переход тиристора течет ток. Тиристор открывается, шунтируя стабилитрон и напряжение на выводах двухполюсника резко уменьшается. Напряжение включения устройства, показанного на рис. 3, равно 8 В.

Рис. 4

На рис. 4 приведена схема на триодном тиристоре Д5, в цепи управления которым применен последний из рассмотренных двухполюсников (стабилитрон Д6 и тиристор Д7). При закрытом тиристоре Д5 конденсатор С1 заряжается через нагрузку и резистор R2 током, выпрямленным диодами Д1-Д4.

Когда напряжение на конденсаторе становится равным напряжению включения двухполюсника, стабилитрон Д6 пробивается и открывает тиристор Д7. Конденсатор С1 разряжается через управляющий переход тиристора Д5 , в результате чего он также открывается и подключает нагрузку к выпрямителю на время, оставшееся до конца полупериода сетевого напряжения. В конце его тиристор закрывается, так как ток через него уменьшается до нуля, после чего цикл повторяется.

С помощью переменного резистора R2 можно изменять ток заряда конденсатора С2, а следовательно, и момент открывания тиристора Д5, то есть регулировать среднюю величину напряжения на нагрузке.