Аналог тиристора на транзисторах схемы

Радиоконструктору

Аналоги динистора в устройствах автоматики

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. Дру гими словами, это устройство, охваченное глубокой положительной обратной связью.

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.

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).

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.

На рис. 4 приведена схема регулятора напряжения 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 управ ляющий 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.

Почему в современных инверторах используют транзисторы, а не тиристоры

Тиристоры относятся к полупроводниковым приборам структуры p-n-p-n, и принадлежат, по сути, к особому классу биполярных транзисторов, 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 тиристора 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 диод.

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 диммеры для регулировки яркости света, 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 сварочных инверторах, 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.

Аналоги тринисторов — эквивалентные схемы на транзисторах

1956 года в США была опубликована статья [1], в которой впервые описан тринистор — четырёхслойный полупроводниковый прибор с управляемой S-образной вольт-амперной характеристикой.

Его условное графическое изображение и эквивалентная схема показаны на рис. 1. С тех пор ассортимент тринисторных и симисторных структур значительно расширился, но в результате естественного отбора преимущественное распространение получили тринисторы классической структуры.

Рис. 1. Транзисторный аналог тринистора.

Наряду с неоспоримыми достоинствами, у тринисторов выявились и недостатки: низкое входное сопротивление, неудовлетворительные частотные свойства, значительное падение напряжения на открытом приборе и др.

Проблема низкого входного сопротивления была решена созданием в 1981 -1984 гг. тринисторов, представляющих собой комбинацию полевого, в том числе с изолированным затвором транзистора, и обычного тринисторов [2, 3]. Эквивалентные схемы некоторых из этих приборов показаны на рис. 2.

Рис. 2. Эквивалентные схемы.

Ниже приведено несколько схем три-нистороподобных структур, построенных с использованием полевых транзисторов с изолированным затвором. Далеко не все они идеальны, но при дальнейшем совершенствовании могут послужить основой для создания тринисторов, обладающих улучшенными свойствами.

На рис. 3 показан пример аналога тринистора с ключевым элементом структуры КМОП в цепи управления. Его недостатки — невысокое рабочее напряжение (до 15 В) и значительное падение напряжения в открытом состоянии (до 3 В).

Достоинства — высокое входное сопротивление (около 1 МОм), повышенное быстродействие. Для дальнейшего уменьшения падения напряжения в открытом состоянии можно применить современную модификацию КМОП-микросхемы, способную работать при напряжении питания менее 3 В.

Рис. 3. Пример аналога тринистора с ключевым элементом структуры КМОП в цепи управления.

На рис. 4 изображён аналог тринистора на двух полевых транзисторах с разными типами проводимости каналов. Он отличается тем, что имеет два управляющих электрода.

Для его открывания управляющий электрод УЭ1 достаточно на мгновение соединить с катодом либо на управляющий электрод УЭ2 кратковременно подать напряжение выше 4,1 В.

Для закрывания достаточно, как обычно, на мгновение разорвать цепь анода либо подать на управляющий электрод УЭ2 напряжение ниже 4 В (0. 4В), в том числе просто соединив УЭ2 с катодом. Падение напряжения между анодом и катодом этого аналога тринистора в открытом состоянии — около 5 В при токе анода 10 мА. При закрытом тринисторе и напряжении анод-катод 12 В ток не превышает 12 мкА.

Рис. 4. Аналог тринистора на двух полевых транзисторах с разными типами проводимости каналов.

Аналог тринистора, схема которого изображена на рис. 5, также выполнен на двух полевых транзисторах с изолированными затворами и каналами разной проводимости, но отличается тем, что исходно находится в открытом состоянии.

Это обусловлено начальным неравенством сопротивления каналов транзисторов VТ1 и VТ2 в момент подачи напряжения анод-катод аналога. Чтобы закрыть такой тринистор, подают управляющее напряжение 0. 2,5 В на управляющий электрод УЭ1.

Можно просто соединить этот электрод с катодом. Повторно открывают тринистор соединением управляющего электрода УЭ2 с катодом или кратковременным отключением напряжения анод-катод.

Рис. 5. Аналог тринистора на двух полевых транзисторах с изолированными затворами и каналами разной проводимости.

Структура аналога тринистора, изображённого на рис. 6, напоминает классическую, показанную на рис. 2, но он имеет дополнительный управляющий электрод УЭ2, на который подают закрывающий сигнал. Минимальное напряжение открывания такого тринистора по входу УЭ1 — 1,35 В.

Рис. 6. Схема аналога тринистора.

Показанный на рис. 7 аналог тринистора при напряжении между управляющим электродом и катодом менее 1 В закрыт, и ток в цепи анод-катод не превышает 2 мкА. При управляющем напряжении выше указанного тринистор открывается.

Рис. 7. Схема аналога тринистора.

Аналог тринистора, схема которого показана на рис. 8, имеет защиту управляющего электрода стабилитроном VD1 — на 6,8 В и частично наследует свойства предыдущего схемного решения — открывается при управляющем напряжении более 1 В.

Поскольку входное сопротивление управляющего электрода велико, он подвержен наводкам, которые могут привести к самопроизвольному открыванию тринистора.

Рис. 8. Схема аналога тринистора.

Чтобы снизить входное сопротивление, рекомендуется подключить между управляющим электродом и катодом резистор сопротивлением 51 кОм. В этом случае тринистор станет открываться при напряжении на управляющем электроде выше 1,4 В.

Транзисторный аналог тиристора (динистора / тринистора). Имитатор, эмулятор на транзисторах. Схема, расчет, применение.

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.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Принципиальная схема

Вывод (A) соответствует аноду, (K) — катоду, (C) — управляющему электроду. Вольт-амперная характеристика схемы соответствует приведенной выше, так что ее (схему) можно считать аналогом триодного тиристора (тринистора). Если управляющий электрод не подключать, то получится аналог диодного тиристора (динистора).

В схеме применяются комплиментарные пары транзисторов. У них одинаковые напряжения насыщения база — эмиттер и коллектор — эмиттер. Мы чаще всего используем КТ502, КТ503. Резисторы R2 и R3 равны между собой.

Расчет

Конечно, приведенные формулы дают приблизительный результат, так как параметры транзисторов имеют конструктивный разброс и зависят от температуры. Но эти расчеты позволяют получить начальную точку, с которой осуществляется тонкий подбор.

[Ток отпирания, мА] = [Напряжение насыщения база — эмиттер транзистора, В] / [Сопротивление R2, кОм] — [Ток управляющего электрода, мА]

Для аналога динистора ток управляющего электрода принимаем равным нулю.

[Отпирающее напряжение, В] = ([Ток отпирания, мА] + [Ток управляющего электрода, мА]) * [Сопротивление R2, кОм] + [Ток отпирания, мА] * ([Сопротивление R1, кОм] + [Сопротивление R3, кОм])

[Ток удержания, мА] = 2 * [Напряжение насыщения база — эмиттер транзистора, В] / [Сопротивление R2, кОм] — [Ток управляющего электрода, мА]

[Напряжение запирания, В] = [Напряжение насыщения база — эмиттер транзистора, В] + [Напряжение насыщения коллектор — эмиттер транзистора, В]

Применение

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Как не спутать плюс и минус? Защита от переполярности. Описание.
Схема защиты от неправильной полярности подключения (переполюсовки) зарядных уст.

Зарядное устройство. Импульсный автомобильный зарядник. Зарядка аккуму.
Схема импульсного зарядного устройства. Расчет на разные напряжения и токи.

Резонансный инвертор, преобразователь напряжения повышающий. Принцип р.
Сборка и наладка повышающего преобразователя напряжения. Описание принципа работ.