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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Expériences ludiques : une famille de thyristors. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / Radioamateur débutant Vous pouvez souvent entendre et même lire le mot "thyristor" dans les magazines d'ingénierie radio populaires. Il s'agit d'un dispositif semi-conducteur. Mais un tel appareil, malheureusement, n'existe pas, car les thyristors sont une classe d'appareils. Il comprend un dinistor (thyristor à diode), un trinistor (thyristor à triode) et un triac (trinistor symétrique). Nous apprendrons à les connaître au cours d'expériences amusantes. Commençons avec dinistor. Chaque dispositif semi-conducteur de la classe des thyristors est une "tarte" de plusieurs couches qui forment une structure semi-conductrice de jonctions pn alternées. Le dinistor a trois transitions de ce type (Fig. 1), mais les conclusions ne sont tirées que des régions extrêmes (p et n). La surface du cristal "tarte" à conductivité électrique de type n est généralement soudée au fond du boîtier - c'est la cathode du dinistor, et la sortie de la surface opposée du cristal se fait à travers un isolant en verre - ceci est l'anode.
Extérieurement, le dinistor (la série KN102 avec les indices de lettre AI et son analogue avec la désignation 2H102 est commune) n'est pas différente des diodes de redressement de la série D226. Comme dans le cas d'une diode, une tension d'alimentation positive est appliquée à l'anode du dinistor et une tension négative à la cathode. Et assurez-vous d'inclure une charge dans le circuit dinistor: une résistance, une lampe, un enroulement de transformateur, etc. Si vous augmentez progressivement la tension, le courant traversant le dinistor augmentera initialement légèrement (Fig. 2). Le dinistor est pratiquement fermé. Cet état se poursuivra jusqu'à ce que la tension aux bornes du dinistor devienne égale à la tension d'activation Uon. À ce moment, un processus de croissance de courant semblable à une avalanche commence dans la structure à quatre couches et le dinistor passe à l'état ouvert. La chute de tension à ses bornes diminue fortement (cela se voit sur la caractéristique), et le courant traversant le dinistor sera désormais déterminé par la résistance de charge, mais il ne doit pas dépasser le maximum admissible Iopen max.Pour tous les dinistors de la série KN102 , ce courant est de 200 mA.
La tension à laquelle le dinistor s'ouvre est appelée tension d'amorçage (Uon), et le courant correspondant à cette valeur est le courant d'amorçage (Ion).Pour chaque dinistor, la tension d'amorçage est différente, par exemple, pour KN102A - 20 V et pour KN102I - 150 V. Le même allumage pour tous les dinistors de la série est de 5 mA. Le dinistor peut être à l'état ouvert jusqu'à ce que le courant continu qui le traverse dépasse le courant minimum admissible Iud, appelé courant de maintien. La branche inverse de la caractéristique d'un dinistor est similaire à la même branche d'une diode conventionnelle. L'alimentation en tension inverse du dinistor est supérieure à la valeur Uobr.max autorisée. peut le désactiver. Pour tous les dinistors et Uobr.max. est de 10 V, tandis que le courant Iobr.max. ne dépasse pas 0,5 mA. Maintenant que vous vous êtes familiarisé avec certains des paramètres du dinistor, vous pouvez assembler deux générateurs et les expérimenter. Générateur de flash lumineux (Fig. 3). Il permet d'obtenir des flashs lumineux d'une lampe à incandescence. Lorsque la fiche X1 du générateur est insérée dans la prise secteur, le condensateur C1 commencera à se charger (uniquement par demi-cycles positifs). Le courant de charge est limité par la résistance R1. Dès que la tension sur celui-ci atteint la tension d'allumage du dinistor, le condensateur se décharge à travers lui et la lampe EL1. Bien que la tension sur le condensateur soit beaucoup plus élevée (8 fois!) La tension de fonctionnement de la lampe (2,5 V), elle ne s'éteindra pas, car la durée de l'impulsion de courant de décharge est trop courte.
Une fois le condensateur déchargé, le dinistor se fermera et le condensateur recommencera à se charger. Bientôt un nouveau flash apparaîtra, suivi du suivant, etc. Avec les détails indiqués sur le schéma, des flashs se succéderont toutes les 0,5 s. Remplacez la résistance par une autre, disons, de résistance inférieure. La fréquence des flashs augmentera. Et avec une résistance plus grande, cela diminuera. Un résultat similaire sera obtenu en réduisant la capacité du condensateur ou en l'augmentant. En revenant au circuit générateur d'origine, installez un condensateur supplémentaire C2 (il peut être en papier ou en oxyde) d'une capacité de plusieurs microfarads pour une tension d'au moins 400 V. Les flashs disparaîtront. La solution est simple. Lorsque ce condensateur n'était pas présent, la résistance recevait la Fig. 3 demi-cycles de la tension secteur, c'est-à-dire qu'elle est passée de zéro à la valeur d'amplitude maximale. Par conséquent, après avoir déchargé le condensateur C1, le courant traversant le dinistor à un moment donné (lorsque la sinusoïde passe par zéro) est tombé à zéro et le dinistor s'est éteint. Avec la connexion du condensateur C2, la tension sur la sortie gauche de la résistance selon le circuit devient déjà pulsée, car le condensateur commence à agir comme un filtre d'un redresseur demi-onde et la tension à ses bornes ne tombe pas à zéro. Et donc, après l'ouverture du dinistor et le premier flash de la lampe, un petit courant continue de le traverser, dépassant le courant de maintien. Le dinistor ne s'éteint pas, le générateur ne fonctionne pas. Certes, le générateur peut être mis en marche (et vous pouvez le vérifier) en augmentant la résistance de la résistance, mais alors les flashs suivront trop rarement. Pour augmenter la fréquence du flash, essayez de réduire la capacité du condensateur C1. Il se passera ce qui suit : l'énergie stockée par le condensateur ne sera pas suffisante pour maintenir une luminosité suffisante des flashs. Le dinistor de cet appareil peut être, en plus de celui indiqué sur le schéma, KN102B. Condensateur C 1 - oxyde de tout type pour une tension nominale d'au moins 50 V, une diode - pour un courant d'au moins 50 mA et une tension inverse d'au moins 400 V, une résistance - d'une puissance d'au moins 2 W , une lampe - pour une tension de fonctionnement de 2,5 V et un courant de 0,26 A. Générateur de fréquence audio (Fig. 4). Son circuit est similaire au précédent, mais la lampe à incandescence est remplacée par une charge de résistance plus élevée - casque TON-2 (BF1), dont les capsules sont retirées du bandeau (vous ne pouvez pas le retirer) et connectées en série. La capacité du condensateur de charge-décharge (C2) est considérablement réduite, grâce à quoi la fréquence du signal généré a augmenté (jusqu'à 1000 Hz). La résistance de la résistance de limitation (R2) dans le circuit dinistor a également augmenté.
Les éléments restants sont un redresseur demi-onde, dans lequel le condensateur C1 filtre la tension redressée et la résistance R1 aide à réduire la tension inverse aux bornes de la diode VD1. Si une tension alternative de 45 ... 60 V est utilisée pour alimenter le générateur, la résistance R1 n'est pas nécessaire. Le condensateur C1 peut être en papier, par exemple MBM, C2 - tout type pour une tension d'au moins 50 V, diode - tout avec une tension inverse admissible d'au moins 400V. Dès que la fiche X1 est insérée dans la prise secteur, un son d'une certaine tonalité apparaît dans le casque. Remplacez le condensateur C2 par une autre capacité plus petite - et la tonalité du son augmentera. Si vous installez un condensateur plus grand, les téléphones entendront le son d'une tonalité plus basse. Les mêmes résultats seront obtenus en changeant la résistance de la résistance R2 - vérifiez ceci. Il est à noter qu'actuellement on produit des microcircuits qui ont des caractéristiques proches de celles des dinistor, et dans certains cas ils peuvent les remplacer (voir "Radio", 1998, n°5, pp. 59-61). Et en conclusion - quelques mots sur la sécurité. Lorsque vous effectuez des expériences avec des générateurs, ne touchez pas les bornes des pièces avec la prise X1 connectée au réseau, ne touchez pas les écouteurs, encore moins mettez-les sur votre tête, et pour toutes les pièces à souder ou à connecter, mettez la structure hors tension et décharger (avec des pincettes ou un morceau de fil de montage) les condensateurs. Le prochain dispositif semi-conducteur de la classe des thyristors est le trinistor. Sa principale différence avec le dinistor est la présence d'une sortie supplémentaire, appelée électrode de commande (GE), à partir de l'une des transitions (Fig. 5) de la structure à quatre couches. Qu'est-ce qui donne cette conclusion ?
Supposons que l'électrode de commande n'est connectée nulle part. Dans ce mode de réalisation, le trinistor conserve les fonctions d'un dinistor et devient passant lorsque la tension d'anode Uon est atteinte (Fig. 6).
Mais cela vaut la peine d'appliquer au moins une petite tension positive à l'électrode de commande par rapport à la cathode et ainsi de faire passer un courant continu à travers le circuit électrode de commande - cathode, à mesure que la tension d'activation diminue. Plus le courant est élevé, plus la tension d'amorçage est faible. La plus petite tension d'activation correspondra à un certain courant maximal Iu.e, appelé courant de redressement - la branche directe est tellement redressée qu'elle devient similaire à la même branche de la diode. Après avoir allumé (c'est-à-dire ouvert) le SCR, l'électrode de commande perd ses propriétés et il sera possible de désactiver le SCR soit en réduisant le courant continu en dessous du courant de maintien Isp, soit en coupant brièvement la tension d'alimentation (un court court-circuit à terme de l'anode avec la cathode est acceptable). Le trinistor peut être ouvert à la fois par un courant continu traversant l'électrode de commande et par un courant pulsé, et la durée d'impulsion admissible est de millionièmes de seconde! Chaque trinistor (le plus souvent vous devrez rencontrer des trinistors des séries KU101, KU201, KU202) a certains paramètres qui sont donnés dans les ouvrages de référence et par lesquels le trinistor est généralement sélectionné pour la structure assemblée. Premièrement, il s'agit de la tension directe admissible ( Upr) à l'état fermé, ainsi que de la tension inverse constante ( Uobr) - elle n'est pas spécifiée pour tous les trinistors, et en l'absence d'un tel chiffre, il n'est pas souhaitable d'appliquer l'inverse tension à ce trinistor. Le paramètre suivant est le courant continu à l'état ouvert (Ipr) à une certaine température de boîtier admissible. Si le trinistor chauffe à une température plus élevée, il devra être installé sur un radiateur - cela est généralement signalé dans la description de la conception. Non moins important est un paramètre tel que le courant de maintien (Iud), caractérisant le courant d'anode minimum auquel le SCR reste allumé après la suppression du signal de commande. Les paramètres de limitation du circuit d'électrode de commande sont également négociés - le courant d'ouverture maximal (Iу.ot) et la tension d'ouverture constante (Uу.ot) à un courant ne dépassant pas Iу.ot. Lors du fonctionnement des trinistors des séries KU201, KU202, il est recommandé d'inclure une résistance shunt d'une résistance de 51 Ohm entre l'électrode de commande et la cathode, bien qu'en pratique, dans la plupart des cas, un fonctionnement fiable soit observé même sans résistance. Et une autre condition importante pour ces trinistors est qu'avec une tension négative à l'anode, l'alimentation en courant de commande n'est pas autorisée. Et maintenant, nous allons mener quelques expériences pour mieux comprendre le fonctionnement du trinistor et les caractéristiques de son contrôle. Faites le plein d'un trinistor, par exemple KU201L, d'une lampe à incandescence miniature de 24 V, d'une source de tension continue de 18 ... 24 V à un courant de charge de 0,15 ... 0,17 A et d'un transformateur de 12 ... d'un ancien récepteur ou magnétophone avec deux enroulements secondaires de 14 V à un courant allant jusqu'à 6,3 A, connectés en série). Comment ouvrir un trinistor (Fig. 7). Réglez la résistance variable R2 sur la position inférieure selon le schéma, puis connectez la cascade sur le trinistor à une source CC. En appuyant sur le bouton SB1, déplacez doucement le curseur de la résistance variable vers le haut du circuit jusqu'à ce que la lampe HL1 s'allume. Cela indiquera que le trinistor s'est ouvert. Vous pouvez relâcher le bouton, la lampe continuera à briller.
Pour fermer le trinistor et le ramener à son état d'origine, il suffit d'éteindre la source d'alimentation pendant une courte période. La lampe s'éteindra. En appuyant à nouveau sur le bouton, vous ouvrez le trinistor et allumez la lampe. Essayez maintenant de l'éteindre d'une autre manière - avec le bouton relâché, fermez un instant, disons, avec une pince à épiler, les fils d'anode et de cathode, comme indiqué sur la Fig. 7 ligne pointillée. Pour mesurer le courant d'ouverture du trinistor, allumez le milliampèremètre dans le circuit ouvert de l'électrode de commande (au point A) et, en déplaçant doucement le curseur de la résistance variable de la position inférieure à la position supérieure (avec le bouton enfoncé), attendez jusqu'à ce que la lampe est allumée. La flèche du milliampèremètre fixera la valeur de courant souhaitée. Ou peut-être voulez-vous savoir quel est le courant de maintien du trinistor ? Allumez ensuite le milliampèremètre en circuit ouvert au point B, et en série avec lui une résistance variable (nominale 2,2 ou 3,3 kOhm), dont la résistance doit d'abord être sortie. Avec le trinistor ouvert, augmentez la résistance de la résistance supplémentaire jusqu'à ce que l'aiguille du milliampèremètre revienne à zéro. La lecture du milliampèremètre avant ce moment est le courant de maintien. Le trinistor est commandé par une impulsion (Fig. 8). Modifiez légèrement la cascade de trinistors en excluant la résistance variable de celle-ci et en introduisant un condensateur C1 d'une capacité de 0,25 ou 0,5 microfarads. Or, une tension constante n'est pas appliquée à l'électrode de commande, bien que le trinistor n'en soit pas devenu incontrôlable.
Après avoir appliqué la tension d'alimentation à la cascade, appuyez sur le bouton. Le condensateur C1 se chargera presque instantanément et son courant de charge sous forme d'impulsion traversera la résistance R2 et une électrode de commande connectée en parallèle. Mais même une telle impulsion à court terme suffit pour que le trinistor s'ouvre. La lampe s'allumera et, comme dans le cas précédent, restera dans cet état même après avoir relâché le bouton. Le condensateur se déchargera à travers les résistances R1, R2 et sera prêt pour la prochaine impulsion de courant. Prenez maintenant un condensateur à oxyde C2 d'une capacité d'au moins 100 microfarads et connectez-le un instant dans la polarité appropriée aux bornes d'anode et de cathode du trinistor. Une impulsion de courant de charge traversera également le condensateur. En conséquence, le trinistor sera shunté (les conclusions indiquées sont fermées) et, bien sûr, il se fermera. Trinistor dans le régulateur de puissance (Fig. 9). La capacité du SCR à s'ouvrir à différentes tensions d'anode en fonction du courant de l'électrode de commande est largement utilisée dans les régulateurs de puissance qui modifient le courant moyen traversant la charge.
Pour vous familiariser avec cette "profession" du trinistor, assemblez une mise en page à partir des pièces présentées dans le schéma. Dans un redresseur pleine onde, des diodes individuelles et un pont de diodes prêt à l'emploi, par exemple les séries KTs402, KTs405, peuvent fonctionner. Comme vous pouvez le voir, il n'y a pas de condensateur de filtrage à la sortie du redresseur - il n'est pas nécessaire ici. Pour un contrôle visuel des processus se produisant dans la cascade, connectez un oscilloscope parallèle à la charge (lampe HL1) fonctionnant en mode automatique (ou veille) avec synchronisation interne. Réglez le curseur de la résistance variable R2 sur la position supérieure selon le schéma (la résistance est sortie) et appliquez une tension alternative au pont de diodes. Appuyez sur le bouton SB1. La lampe s'allumera immédiatement et l'image des demi-cycles d'une sinusoïde (schéma a) apparaîtra sur l'écran de l'oscilloscope, caractéristique du redressement pleine onde sans condensateur de lissage. Relâchez le bouton et la lampe s'éteindra. Tout est correct, car le trinistor se ferme dès que la tension sinusoïdale passe par zéro. Si un condensateur à oxyde de filtrage est installé à la sortie du redresseur, il ne permettra pas à la tension redressée de descendre à zéro (la forme de la tension pour cette option est indiquée sur le schéma par une ligne en pointillés) et la lampe ne s'éteindra pas après le bouton est libérée. Appuyez à nouveau sur le bouton et déplacez doucement le curseur de la résistance variable vers le bas du circuit (entrez la résistance). La luminosité de la lampe commencera à diminuer et la forme de la "demi-onde sinusoïdale" sera déformée (schéma b). Maintenant, le courant traversant l'électrode de commande diminue par rapport à la valeur d'origine, et par conséquent, le trinistor s'ouvre à une tension d'alimentation plus élevée, c'est-à-dire une partie de l'onde demi-sinusoïdale, le trinistor reste fermé. Comme cela réduit le courant moyen à travers la lampe, sa luminosité diminue. Avec un mouvement supplémentaire du moteur de résistance, ce qui signifie une diminution du courant de commande, le trinistor ne peut s'ouvrir que lorsque la tension d'alimentation atteint pratiquement son maximum (schéma c). La diminution ultérieure du courant à travers l'électrode de commande conduira à la non-ouverture du trinistor. Comme vous pouvez le voir, en modifiant le courant de commande, et donc l'amplitude de la tension sur l'électrode de commande, il est possible de contrôler la puissance à la charge dans une plage assez large. C'est l'essence de la méthode d'amplitude de contrôle du trinistor. S'il est nécessaire d'obtenir de grandes limites de contrôle, la méthode de phase est utilisée, dans laquelle la phase de la tension sur l'électrode de commande est modifiée par rapport à la phase de la tension d'anode. Il n'est pas difficile de passer à cette méthode de contrôle - il suffit de connecter un condensateur à oxyde C1 d'une capacité de 100 ... 200 microfarads entre l'électrode de commande et la cathode du trinistor. Maintenant, le trinistor pourra s'ouvrir à de petites amplitudes de la tension d'anode, mais déjà dans la seconde "moitié" de chaque demi-cycle (schéma d). En conséquence, les limites de variation du courant moyen traversant la charge, et donc de la puissance libérée sur celle-ci, augmenteront considérablement.
Analogique Trinistor. Il arrive qu'il ne soit pas possible d'acheter le trinistor souhaité. Il peut être remplacé avec succès par un analogue assemblé à partir de deux transistors de structures différentes. Si une tension positive (par rapport à l'émetteur) est appliquée à la base du transistor VT2, le transistor s'ouvrira légèrement et le courant de la base du transistor VT1 le traversera. Ce transistor s'ouvrira également légèrement, ce qui augmentera le courant de base du transistor VT2. Une rétroaction positive entre les transistors conduira à leur ouverture en avalanche. Les transistors analogiques sont sélectionnés en fonction du courant de charge maximal et de la tension d'alimentation. La transition de commande de l'analogique et du trinistor est alimentée par une tension (ou un signal d'impulsion) de polarité positive uniquement. Si, dans les conditions de fonctionnement de l'appareil en cours de conception, un signal négatif peut apparaître, l'électrode de commande doit être protégée, par exemple en allumant une diode (cathode - à l'électrode de commande, anode - à la cathode trinistor). Le dernier appareil de la famille des thyristors est un triac (Fig. 11), symétrique thyristor. Comme le trinistor, il est fabriqué dans un boîtier similaire avec les mêmes bornes d'anode, d'électrode de commande et de cathode. Le triac a une structure multicouche complexe avec des transitions électron-trou. A partir de l'une des transitions, une sortie de commande (UE) est réalisée.
Les deux régions extrêmes de la structure ayant le même type de conductivité, alors, en présence d'une tension appropriée sur les électrodes du triac, des impulsions de courant peuvent le traverser dans les deux sens. Les triacs courants que vous devrez rencontrer dans la pratique de la radio amateur sont la série KU208. Auteur : B.Ivanov
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