Unterhaltsame Experimente: eine Familie von Thyristoren. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Anfänger Funkamateur

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Das Wort „Thyristor“ hört und liest man oft in populären Fachzeitschriften für Funktechnik. Dies ist ein Halbleiterbauelement. Ein solches Gerät existiert jedoch leider nicht, da Thyristoren eine Geräteklasse sind. Es umfasst einen Dinistor (Diodenthyristor), einen Trinistor (Triodenthyristor) und einen Triac (symmetrischer Trinistor). Wir werden sie in unterhaltsamen Experimenten kennenlernen. Lass uns beginnen mit Dinistor.

Jedes Halbleiterbauelement aus der Klasse der Thyristoren ist ein „Kuchen“ aus mehreren Schichten, die eine Halbleiterstruktur aus abwechselnden pn-Übergängen bilden. Der Dinistor hat drei solcher Übergänge (Abb. 1), die Schlussfolgerungen werden jedoch nur aus den Extrembereichen (p und n) gezogen. Die Oberfläche des „Kuchen“-Kristalls mit elektrischer Leitfähigkeit vom n-Typ ist normalerweise mit der Unterseite des Gehäuses verlötet – dies ist die Kathode des Dinistors, und der Ausgang von der gegenüberliegenden Oberfläche des Kristalls erfolgt durch einen Glasisolator – dieser ist die Anode.

Äußerlich unterscheidet sich der Dinistor (üblich ist die KN102-Serie mit den Buchstabenindizes AI und sein Analogon mit der Bezeichnung 2H102) nicht von den Gleichrichterdioden der D226-Serie. Wie bei einer Diode wird an der Anode des Dinistors eine positive Versorgungsspannung und an der Kathode eine negative Versorgungsspannung angelegt. Und stellen Sie sicher, dass Sie eine Last in den Dinistorkreis einbinden: einen Widerstand, eine Lampe, eine Transformatorwicklung usw.

Wenn Sie die Spannung sanft erhöhen, steigt der Strom durch den Dinistor zunächst leicht an (Abb. 2). Der Dinistor ist praktisch geschlossen. Dieser Zustand bleibt bestehen, bis die Spannung am Dinistor der Einschaltspannung Uon entspricht. In diesem Moment beginnt in der vierschichtigen Struktur ein lawinenartiger Prozess des Stromwachstums und der Dinistor geht in den offenen Zustand über. Der Spannungsabfall darüber nimmt stark ab (dies ist an der Kennlinie zu erkennen), und der Strom durch den Dinistor wird nun durch den Lastwiderstand bestimmt, sollte jedoch den maximal zulässigen Iopen max. für alle Dinistoren der KN102-Serie nicht überschreiten Dieser Strom beträgt 200 mA.

Die Spannung, bei der der Dinistor öffnet, wird als Einschaltspannung (Uon) bezeichnet, und der diesem Wert entsprechende Strom ist der Einschaltstrom (Ion). Für jeden Dinistor ist die Einschaltspannung unterschiedlich, z. B. für KN102A - 20 V und für KN102I - 150 V. Das gleiche Einschalten für alle Dinistoren der Serie beträgt 5 mA.

Der Dinistor kann im offenen Zustand bleiben, bis der durch ihn fließende Gleichstrom den minimal zulässigen Strom Iud, den sogenannten Haltestrom, überschreitet.

Der umgekehrte Zweig der Charakteristik eines Dinistors ähnelt dem gleichen Zweig einer herkömmlichen Diode. Die Sperrspannungsversorgung des Dinistors ist höher als der zulässige Uobr.max. kann es deaktivieren. Für alle Dinistoren und Uobr.max. beträgt 10 V, während der Strom Iobr.max. 0,5 mA nicht überschreitet.

Nachdem Sie sich nun mit einigen Parametern des Dinistors vertraut gemacht haben, können Sie zwei Generatoren zusammenbauen und damit experimentieren.

Lichtblitzgenerator (Abb. 3). Damit können Sie Lichtblitze einer Glühlampe erzeugen. Wenn der Stecker X1 des Generators in die Netzsteckdose gesteckt wird, beginnt sich der Kondensator C1 aufzuladen (nur in positiven Halbwellen). Der Ladestrom wird durch den Widerstand R1 begrenzt. Sobald die Spannung an ihm die Einschaltspannung des Dinistors erreicht, entlädt sich der Kondensator über ihn und die EL1-Lampe. Obwohl die Spannung am Kondensator viel höher (8-fach!) als die Betriebsspannung der Lampe (2,5 V) ist, brennt diese nicht durch, da die Dauer des Entladestromimpulses zu kurz ist.

Nachdem der Kondensator entladen ist, schließt der Dinistor und der Kondensator beginnt erneut mit dem Laden. Bald erscheint ein neuer Blitz, gefolgt vom nächsten usw. Mit den im Diagramm angegebenen Details folgen alle 0,5 Sekunden Blitze.

Ersetzen Sie den Widerstand durch einen anderen, beispielsweise mit einem niedrigeren Widerstand. Die Blitzfrequenz wird erhöht. Und mit einem größeren Widerstand nimmt er ab. Ein ähnliches Ergebnis erhält man, wenn man die Kapazität des Kondensators verringert oder erhöht.

Um zum ursprünglichen Generatorkreis zurückzukehren, installieren Sie einen zusätzlichen Kondensator C2 (es kann Papier oder Oxid sein) mit einer Kapazität von mehreren Mikrofarad für eine Spannung von mindestens 400 V. Die Blitze verschwinden. Die Lösung ist einfach. Wenn dieser Kondensator nicht vorhanden war, erhielt der Widerstand Abb. 3 Halbwellen der Netzspannung, d. h. sie wechselte von Null auf den maximalen Amplitudenwert. Daher fiel nach dem Entladen des Kondensators C1 der Strom durch den Dinistor irgendwann (wenn die Sinuskurve durch Null geht) auf Null und der Dinistor schaltete ab. Mit dem Anschluss des Kondensators C2 wird die Spannung am linken Ausgang des Widerstands gemäß der Schaltung bereits pulsierend, da der Kondensator als Filter eines Einweggleichrichters zu wirken beginnt und die Spannung an ihm nicht auf Null abfällt. Und deshalb fließt nach dem Öffnen des Dinistors und dem ersten Blitzen der Lampe weiterhin ein kleiner Strom durch ihn, der den Haltestrom übersteigt. Der Dinistor schaltet sich nicht aus, der Generator funktioniert nicht.

Zwar kann man den Generator durch Erhöhen des Widerstandswerts zum Laufen bringen (und das kann man überprüfen), aber dann folgen die Blitze zu selten. Um die Blitzfrequenz zu erhöhen, versuchen Sie, die Kapazität des Kondensators C1 zu verringern. Folgendes wird passieren: Die im Kondensator gespeicherte Energie reicht nicht aus, um eine ausreichende Helligkeit der Blitze aufrechtzuerhalten.

Der Dinistor in diesem Gerät kann zusätzlich zu dem im Diagramm angegebenen KN102B sein. Kondensator C 1 – Oxid jeglicher Art für eine Nennspannung von mindestens 50 V, eine Diode – für einen Strom von mindestens 50 mA und eine Sperrspannung von mindestens 400 V, ein Widerstand – mit einer Leistung von mindestens 2 W , eine Lampe - für eine Betriebsspannung von 2,5 V und einen Strom von 0,26 A.

Tonfrequenzgenerator (Abb. 4). Seine Schaltung ähnelt der vorherigen, aber die Glühlampe wird durch eine Last mit höherem Widerstand ersetzt – den Kopfhörer TON-2 (BF1), dessen Kapseln vom Kopfbügel entfernt werden (Sie dürfen ihn nicht entfernen) und in Reihe geschaltet werden. Die Kapazität des Lade-Entlade-Kondensators (C2) wird deutlich reduziert, wodurch die Frequenz des erzeugten Signals ansteigt (bis zu 1000 Hz). Der Widerstandswert des Begrenzungswiderstands (R2) im Dinistorkreis hat sich ebenfalls erhöht.

Die verbleibenden Elemente sind ein Einweggleichrichter, in dem der Kondensator C1 die gleichgerichtete Spannung filtert und der Widerstand R1 dazu beiträgt, die Sperrspannung an der Diode VD1 zu reduzieren. Wenn der Generator mit einer Wechselspannung von 45 ... 60 V betrieben wird, wird der Widerstand R1 nicht benötigt.

Kondensator C1 kann Papier sein, zum Beispiel MBM, C2 – jeder Typ für eine Spannung von mindestens 50 V, Diode – jeder mit einer zulässigen Sperrspannung von mindestens 400 V.

Sobald der X1-Stecker in die Netzsteckdose gesteckt wird, ertönt im Kopfhörer ein Ton mit einem bestimmten Ton. Ersetzen Sie den Kondensator C2 durch eine andere, kleinere Kapazität – und der Ton wird lauter. Wenn Sie einen größeren Kondensator installieren, hören die Telefone einen tieferen Ton. Die gleichen Ergebnisse werden durch Ändern des Widerstandswerts des Widerstands R2 erzielt – überprüfen Sie dies. Es ist zu beachten, dass derzeit Mikroschaltungen hergestellt werden, deren Eigenschaften denen von Dinistoren ähneln, und diese in einigen Fällen ersetzen können (siehe „Radio“, 1998, Nr. 5, S. 59-61).

Und zum Schluss noch ein paar Worte zur Sicherheit. Berühren Sie bei Experimenten mit Generatoren nicht die Klemmen der Teile, deren X1-Stecker an das Netzwerk angeschlossen ist, berühren Sie nicht die Kopfhörer, geschweige denn setzen Sie sie auf den Kopf und schalten Sie bei allen Löt- oder Anschlussteilen die Struktur spannungsfrei und Entladen (mit einer Pinzette oder einem Stück Montagedraht) der Kondensatoren.

Das nächste Halbleiterbauelement aus der Klasse der Thyristoren ist der Trinistor. Der Hauptunterschied zum Dinistor besteht im Vorhandensein eines zusätzlichen Ausgangs, der sogenannten Steuerelektrode (GE), von einem der Übergänge (Abb. 5) der vierschichtigen Struktur. Was führt zu dieser Schlussfolgerung?

Gehen Sie davon aus, dass die Steuerelektrode nirgendwo angeschlossen ist. In dieser Ausführungsform behält der Trinistor die Funktionen eines Dinistors und schaltet sich ein, wenn die Anodenspannung Uon erreicht ist (Abb. 6).

Es lohnt sich jedoch, an die Steuerelektrode relativ zur Kathode zumindest eine kleine positive Spannung anzulegen und so einen Gleichstrom durch den Steuerelektroden-Kathoden-Kreis zu leiten, da die Einschaltspannung abnimmt. Je höher der Strom, desto niedriger die Einschaltspannung.

Die kleinste Einschaltspannung entspricht einem bestimmten maximalen Strom Iu.e, der als Gleichrichtungsstrom bezeichnet wird – der direkte Zweig wird so stark gleichgerichtet, dass er dem gleichen Zweig der Diode ähnelt.

Nach dem Einschalten (d. h. dem Öffnen) des SCR verliert die Steuerelektrode ihre Eigenschaften und es ist möglich, den SCR auszuschalten, indem entweder der Gleichstrom unter den Haltestrom Isp reduziert wird oder indem die Versorgungsspannung kurzzeitig ausgeschaltet wird (ein Kurzschluss). Ein kurzzeitiger Kurzschluss der Anode mit der Kathode ist akzeptabel).

Der Trinistor kann sowohl durch Gleichstrom durch die Steuerelektrode als auch durch Impulsstrom geöffnet werden, und die zulässige Impulsdauer beträgt Millionstelsekunden!

Jeder Trinistor (am häufigsten trifft man auf Trinistoren der Serien KU101, KU201, KU202) hat bestimmte Parameter, die in den Nachschlagewerken angegeben sind und anhand derer der Trinistor normalerweise für die zusammengebaute Struktur ausgewählt wird. Erstens ist dies die zulässige direkte Vorwärtsspannung ( Upr) im geschlossenen Zustand sowie die konstante Rückwärtsspannung ( Uobr) – sie ist nicht für alle Trinistoren spezifiziert, und wenn ein solcher Wert nicht vorhanden ist, ist es unerwünscht, die Rückwärtsspannung anzuwenden Spannung an diesen Trinistor an.

Der nächste Parameter ist der Gleichstrom im offenen Zustand (Ipr) bei einer bestimmten zulässigen Gehäusetemperatur. Wenn sich der Trinistor auf eine höhere Temperatur erwärmt, muss er auf einem Kühler installiert werden – dies wird normalerweise in der Konstruktionsbeschreibung angegeben.

Nicht weniger wichtig ist ein Parameter wie der Haltestrom (Iud), der den minimalen Anodenstrom charakterisiert, bei dem der SCR eingeschaltet bleibt, nachdem das Steuersignal entfernt wird. Es werden auch die Grenzparameter für den Steuerelektrodenkreis ausgehandelt – der maximale Öffnungsstrom (Iу.ot) und die konstante Öffnungsspannung (Uу.ot) bei einem Strom, der Iу.ot nicht überschreitet.

Beim Betrieb von Trinistoren der Serien KU201, KU202 wird empfohlen, zwischen Steuerelektrode und Kathode einen Shunt-Widerstand mit einem Widerstand von 51 Ohm einzubauen, obwohl in der Praxis in den meisten Fällen auch ohne Widerstand ein zuverlässiger Betrieb beobachtet wird. Und eine weitere wichtige Bedingung für diese Trinistoren ist, dass bei einer negativen Spannung an der Anode die Zufuhr von Steuerstrom nicht zulässig ist.

Und jetzt werden wir einige Experimente durchführen, um die Funktionsweise des Trinistors und die Merkmale seiner Steuerung besser zu verstehen. Besorgen Sie sich einen Trinistor, beispielsweise KU201L, eine Miniatur-24-V-Glühlampe, eine 18 ... 24 V-Gleichspannungsquelle mit einem Laststrom von 0,15 ... 0,17 A und einen 12 ... Transformator von einem alten Empfänger oder Tonbandgerät mit zwei Sekundärwicklungen von 14 V bei einem Strom von bis zu 6,3 A, in Reihe geschaltet).

So öffnen Sie einen Trinistor (Abb. 7). Stellen Sie den variablen Widerstand R2 gemäß Diagramm auf die untere Position und verbinden Sie dann die Kaskade am Trinistor mit einer Gleichstromquelle. Durch Drücken der SB1-Taste bewegen Sie den Schieberegler des variablen Widerstands sanft im Stromkreis nach oben, bis die HL1-Lampe aufleuchtet. Dies zeigt an, dass der Trinistor geöffnet ist. Sie können den Knopf loslassen, die Lampe leuchtet weiter.

Um den Trinistor zu schließen und in seinen ursprünglichen Zustand zu versetzen, genügt es, die Stromquelle kurzzeitig auszuschalten. Die Lampe erlischt. Durch erneutes Drücken der Taste öffnen Sie den Trinistor und zünden die Lampe. Versuchen Sie nun, es auf andere Weise zu löschen: Schließen Sie bei losgelassenem Knopf für einen Moment, beispielsweise mit einer Pinzette, die Anoden- und Kathodenleitungen, wie in Abb. 7 gestrichelte Linie.

Um den Öffnungsstrom des Trinistors zu messen, schalten Sie das Milliamperemeter im offenen Stromkreis der Steuerelektrode (am Punkt A) ein und warten Sie, indem Sie den variablen Widerstandsschieber sanft von der unteren in die obere Position bewegen (bei gedrückter Taste). Die Lampe wird gezündet. Der Pfeil des Milliamperemeters legt den gewünschten Stromwert fest.

Oder möchten Sie vielleicht wissen, wie hoch der Haltestrom des Trinistors ist? Schalten Sie dann das Milliamperemeter im offenen Stromkreis am Punkt B und in Reihe damit einen variablen Widerstand (nominal 2,2 oder 3,3 kOhm) ein, dessen Widerstandswert zunächst ausgegeben werden muss. Erhöhen Sie bei geöffnetem Trinistor den Widerstandswert des Zusatzwiderstands, bis die Milliamperemeter-Nadel wieder auf Null springt. Der Milliamperemeter-Wert vor diesem Moment ist der Haltestrom.

Der Trinistor wird durch einen Impuls gesteuert (Abb. 8). Ändern Sie die Trinistorstufe geringfügig, indem Sie den variablen Widerstand ausschließen und einen Kondensator C1 mit einer Kapazität von 0,25 oder 0,5 Mikrofarad einführen. Nun liegt an der Steuerelektrode keine konstante Spannung an, obwohl der Trinistor dadurch nicht unkontrollierbar wurde.

Nachdem Sie die Versorgungsspannung an die Kaskade angelegt haben, drücken Sie die Taste. Der Kondensator C1 lädt sich fast augenblicklich auf und sein Ladestrom fließt in Form eines Impulses durch den Widerstand R2 und eine parallel geschaltete Steuerelektrode. Aber schon ein so kurzfristiger Impuls reicht aus, damit sich der Trinistor öffnet. Die Lampe leuchtet auf und bleibt wie im vorherigen Fall auch nach dem Loslassen der Taste in diesem Zustand. Der Kondensator wird über die Widerstände R1, R2 entladen und ist für den nächsten Stromimpuls bereit.

Nehmen Sie nun einen Oxidkondensator C2 mit einer Kapazität von mindestens 100 Mikrofarad und schließen Sie ihn für einen Moment in der entsprechenden Polarität an die Anoden- und Kathodenanschlüsse des Trinistors an. Außerdem fließt ein Ladestromimpuls durch den Kondensator. Infolgedessen wird der Trinistor überbrückt (die angegebenen Schlussfolgerungen sind geschlossen) und natürlich wird er geschlossen.

Trinistor im Leistungsregler (Abb. 9). Die Fähigkeit des SCR, abhängig vom Strom der Steuerelektrode bei unterschiedlichen Anodenspannungen zu öffnen, wird häufig in Leistungsreglern genutzt, die den durchschnittlichen durch die Last fließenden Strom ändern.

Um sich mit diesem „Beruf“ des Trinistors vertraut zu machen, stellen Sie ein Layout aus den im Diagramm gezeigten Teilen zusammen. In einem Vollweggleichrichter können sowohl einzelne Dioden als auch eine vorgefertigte Diodenbrücke, beispielsweise die Serien KTs402, KTs405, funktionieren. Wie Sie sehen, gibt es am Gleichrichterausgang keinen Filterkondensator – er wird hier nicht benötigt. Zur visuellen Kontrolle der in der Kaskade ablaufenden Prozesse schließen Sie parallel zur Last (HL1-Lampe) ein Oszilloskop an, das im Automatik- (oder Standby-)Modus mit interner Synchronisation arbeitet.

Stellen Sie den Schieber des variablen Widerstands R2 gemäß Diagramm auf die obere Position (Widerstand wird ausgegeben) und legen Sie eine Wechselspannung an die Diodenbrücke an. Drücken Sie die SB1-Taste. Die Lampe leuchtet sofort auf und auf dem Bildschirm des Oszilloskops erscheint das Bild der Halbwellen einer Sinuskurve (Diagramm a), was charakteristisch für die Vollweggleichrichtung ohne Glättungskondensator ist.

Lassen Sie die Taste los und die Lampe erlischt. Alles ist richtig, denn der Trinistor schließt, sobald die Sinusspannung den Nullpunkt durchläuft. Wenn am Gleichrichterausgang ein filternder Oxidkondensator installiert ist, verhindert dieser, dass die gleichgerichtete Spannung auf Null absinkt (die Spannungsform für diese Option ist im Diagramm durch eine gestrichelte Linie dargestellt) und die Lampe erlischt nach dem Drücken der Taste nicht es ist veröffentlicht worden.

Drücken Sie die Taste erneut und bewegen Sie den Schieberegler des variablen Widerstands sanft nach unten im Stromkreis (geben Sie den Widerstand ein). Die Helligkeit der Lampe nimmt ab und die Form der „Halbsinuswelle“ wird verzerrt (Diagramm b). Jetzt nimmt der Strom durch die Steuerelektrode im Vergleich zum ursprünglichen Wert ab und daher öffnet der Trinistor bei einer höheren Versorgungsspannung, d. h. bei einem Teil der Halbsinuswelle bleibt der Trinistor geschlossen. Da dadurch der durchschnittliche Strom durch die Lampe sinkt, nimmt ihre Helligkeit ab.

Bei weiterer Bewegung des Widerstandsmotors, was eine Verringerung des Steuerstroms bedeutet, kann der Trinistor erst öffnen, wenn die Versorgungsspannung praktisch ihr Maximum erreicht (Diagramm c). Der anschließende Abfall des Stroms durch die Steuerelektrode führt dazu, dass der Trinistor nicht geöffnet wird.

Wie Sie sehen, ist es durch Ändern des Steuerstroms und damit der Amplitude der Spannung an der Steuerelektrode möglich, die Leistung an der Last in einem ziemlich weiten Bereich zu steuern. Dies ist die Essenz der Amplitudenmethode zur Steuerung des Trinistors.

Wenn große Regelgrenzen erreicht werden müssen, kommt die Phasenmethode zum Einsatz, bei der die Phase der Spannung an der Steuerelektrode im Vergleich zur Phase der Anodenspannung verändert wird.

Der Umstieg auf diese Steuermethode ist nicht schwer – es genügt, einen Oxidkondensator C1 mit einer Kapazität von 100 ... 200 Mikrofarad zwischen Steuerelektrode und Trinistorkathode zu schalten. Jetzt kann der Trinistor bei kleinen Amplituden der Anodenspannung öffnen, jedoch bereits in der zweiten „Hälfte“ jeder Halbwelle (Diagramm d). Dadurch werden die Grenzen der Änderung des durchschnittlichen Stroms durch die Last und damit der an sie abgegebenen Leistung erheblich erweitert.

Trinistor-Analog. Es kommt vor, dass es nicht möglich ist, den gewünschten Trinistor zu erwerben. Es kann erfolgreich durch ein Analogon ersetzt werden, das aus zwei Transistoren unterschiedlicher Struktur besteht. Wenn an die Basis des Transistors VT2 eine positive (in Bezug auf den Emitter) Spannung angelegt wird, öffnet sich der Transistor leicht und der Strom der Basis des Transistors VT1 fließt durch ihn. Dieser Transistor öffnet sich ebenfalls leicht, was den Basisstrom des Transistors VT2 erhöht. Eine positive Rückkopplung zwischen Transistoren führt zu deren Lawinenöffnung.

Die Auswahl analoger Transistoren richtet sich nach dem maximalen Laststrom und der Versorgungsspannung. Der Steuerübergang sowohl des Analog- als auch des Trinistors wird mit einer Spannung (oder einem Impulssignal) nur positiver Polarität versorgt. Wenn unter den Betriebsbedingungen des zu entwerfenden Geräts ein negatives Signal auftreten kann, sollte die Steuerelektrode beispielsweise durch Einschalten einer Diode (Kathode – zur Steuerelektrode, Anode – zur Trinistorkathode) geschützt werden.

Das letzte Gerät aus der Thyristorfamilie ist ein Triac (Abb. 11), symmetrisch Thyristor. Wie der Trinistor wird er in einem ähnlichen Gehäuse mit den gleichen Anoden-, Steuerelektroden- und Kathodenanschlüssen hergestellt. Der Triac hat eine komplexe Mehrschichtstruktur mit Elektron-Loch-Übergängen. Von einem der Übergänge wird ein Steuerausgang (UE) vorgenommen.

Da beide Extrembereiche der Struktur den gleichen Leitungstyp aufweisen, können bei entsprechender Spannung an den Elektroden des Triacs Stromimpulse in beide Richtungen durch ihn fließen.

Gängige Triacs, denen Sie in der Amateurfunkpraxis begegnen werden, sind die KU208-Serie.

Autor: B. Ivanov

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