В статье рассказано об использовании тиристоров, приведены простые и наглядные опыты для изучения принципов их работы. Также даны практические указания по проверке и подбору тиристоров.

Самодельные светорегуляторы

 Несмотря на разнообразие и наличие в продаже таких устройств, иногда все же, приходится вспомнить забытое старое, и собрать светорегулятор по достаточно простой любительской схеме.

Может быть недостаточна мощность того устройства, что есть в продаже, или просто есть детали, чтобы бездарно их не растерять, так пусть будет хоть что-то. К тому же светорегулятор вовсе не обязательно должен регулировать свет, можно приспособить его, например, к паяльнику. В общем, применений предостаточно, готовое устройство может всегда пригодиться.

Практически все подобные устройства выполнены с применением тиристоров, о которых стоит рассказать отдельно, ну хотя бы вкратце, чтобы принцип действия тиристорных регуляторов был ясен и понятен.

Разновидности тиристоров

Название тиристор подразумевает под собой несколько разновидностей, или как принято говорить, семейство полупроводниковых приборов. Такие приборы представляют собой структуру из четырех p и n слоев, образующих три последовательных p-n (p-n буквы латинские: от positive и negative) перехода.

Рис. 1. Тиристоры

Если от крайних областей p n сделать выводы, получившийся прибор называется диодным тиристором, по-другому динистор. Он и внешним видом похож на диод серии Д226 или Д7Ж, только диоды имеют всего лишь один p-n переход. Конструкция и схема динистора типа КН102 показана на рисунке 2.

Там же показана и схема его включения. Если сделать вывод еще от одного p-n перехода, то получится триодный тиристор, называемый тринистором. В одном корпусе может находиться сразу два тринистора, включенных встречно – параллельно. Такая конструкция называется симистором и предназначена для работы в цепях переменного тока, поскольку может пропускать как положительные, так и отрицательные полупериоды напряжения.

Рисунок 2. Внутреннее устройство и схема включения диодного тиристора КН102

Вывод катода, область n, соединен с корпусом, а вывод анода через стеклянный изолятор соединен в областью p, как показано на рисунке 1. Там же показано включение динистора в цепи питания. В цепь питания последовательно с динистором обязательно должна быть включена нагрузка, так же как если бы это был обычный диод. На рисунке 3 показана вольт - амперная характеристика динистора.

Рисунок 3. Вольт - амперная характеристика динистора

Из этой характеристики видно, что напряжение к динистору может быть приложено как в обратном направлении (на рисунке в нижней левой четверти), так и в прямом, как показано в правой верхней четверти рисунка. В обратном направлении характеристика похожа на характеристику обычного диода: через прибор протекает незначительный обратный ток, практически можно считать что и нет никакого тока.

Больший интерес представляет прямая ветвь характеристики. Если на динистор подать напряжение в прямом направлении и постепенно его увеличивать, то ток через динистор будет невелик, и изменяться будет незначительно. Но лишь до тех пор, пока не достигнет определенного значения, называемого напряжением включения динистора. На рисунке это обозначено как Uвкл.

При этом напряжении во внутренней четырехслойной структуре происходит лавинообразное увеличение тока, динистор открывается, переходит в проводящее состояние, о чем свидетельствует участок с отрицательным сопротивлением на характеристике. Напряжение участка катод – анод резко уменьшается, а ток через динистор ограничивается только лишь внешней нагрузкой, в данном случае сопротивлением резистора R1. Главное, чтобы ток был ограничен на уровне не выше предельно допустимого, который оговаривается в справочных данных.

Предельно допустимый ток или напряжение, это та величина, при которой гарантируется нормальная работа прибора в течение длительного времени. Причем следует обратить внимание на то, чтобы предельно допустимого значения достигал лишь один из параметров: если прибор работает в режиме предельно допустимого тока, то рабочее напряжение должно быть ниже, чем предельно допустимое. В противном случае нормальная работа полупроводникового прибора не гарантируется. К достижению предельно допустимых параметров специально, конечно, стремиться не надо, но уж если так получилось…

Этот прямой ток через динистор будет протекать до тех пор, пока каким - либо образом динистор будет выключен. Для этого необходимо прекратить прохождение прямого тока. Это можно сделать тремя способами: разомкнуть цепь питания, замкнуть накоротко динистор при помощи перемычки (весь ток пройдет через перемычку, а ток через динистор будет равен нулю), или изменить на противоположную полярность питающего напряжения. Такое получается если питать динистор и нагрузку переменным током. Такие же методы выключения и у триодного тиристора – тринистора.

Маркировка динисторов

Она состоит из нескольких букв и цифр, наиболее распространены и доступны отечественные приборы серии КН102 (А,Б…И). первая буква К, говорит о том, что это кремниевый полупроводниковый прибор, Н что это динистор, цифры 102 номер разработки, а вот последняя буква определяет напряжение включения.

Весь справочник тут не поместится, однако следует отметить, что КН102А имеет напряжение включения 20В, КН102Б 28В, а КН102И уже целых 150В. При последовательном включении приборов напряжение включения складывается, например два КН102А дадут в сумме напряжение включения 40В. Динисторы выпускавшиеся для оборонной промышленности вместо первой буквы К имеют цифру 2. Это же правило используется и в маркировке транзисторов.

В настоящее время достаточно широко распространены симметричные динисторы. Чтобы себе это представить, достаточно соединить два обычных динистора встречно – параллельно. Такие динисторы включаются при подаче напряжения любой полярности или переменного напряжения. Используются в схемах формирователей запускающего импульса в электронных трансформаторах и энергосберегающих лампах, а также в качестве порогового элемента в тиристорных регуляторах, о чем будет рассказано выше. Один из таких динисторов имеет маркировку DB3.

Такая логика работы динистора позволяет на его базе собирать достаточно простые генераторы импульсов. Схема одного из вариантов показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Генератор на динисторе

Принцип работы такого генератора достаточно прост: выпрямленное диодом VD1 сетевое напряжение через резистор R1 заряжает конденсатор C1, и как только напряжение на нем достигнет напряжения включения динистора VS1, последний открывается, и конденсатор разряжается через лампочку EL1, которая дает кратковременную вспышку, после которой процесс повторяется сначала. В реальных схемах вместо лампочки может устанавливаться трансформатор, с выходной обмотки которого могут сниматься импульсы, используемые для каких-либо целей, например, в качестве открывающих импульсов.

Как включить тиристор? Включение тиристора постоянным током.

Чтобы ответить на этот вопрос придется собрать простую схемку, показанную на рисунке 1. После того, как схема собрана, ее следует подключить к источнику постоянного напряжения. Лучше всего, если это будет регулируемый лабораторный источник с защитой, хотя бы от короткого замыкания, ведь мало ли что может произойти в процессе опытов?

Движок переменного резистора R2 следует установить в нижнее по схеме положение. Затем, удерживая нажатой кнопку SB1, (лампочка еще гореть не должна) медленно перемещать движок вверх по схеме. В каком-то положении движка лампочка зажжется, после чего кнопку следует отпустить, тем самым сняв сигнал с УЭ. После отпускания кнопки лампочка должна остаться во включенном состоянии. Как все это можно объяснить?

Вращением движка резистора R2 мы увеличивали ток УЭ, при определенном значении которого, характеристика тиристора спрямилась и он открылся, как было показано на рисунке 2 . Резистор R1 предназначен для ограничения тока через УЭ, чтобы он не превысил допустимый уровень, оговоренный в справочных данных. Если теперь отпустить кнопку SB1, то лампочка останется зажженной, поскольку ее тока вполне хватает для удержания тиристора в открытом состоянии. Этот момент также показан на рисунке 2, как Iуд.

Рисунок 1. Схема для опыта по включению тиристора

Если в этом опыте в точку А на рисунке 1 включить миллиамперметр, то можно измерить ток управляющего электрода. Если испытать несколько экземпляров тиристоров даже одной марки, ток управляющего электрода, при котором зажжется лампочка, будет разным, с достаточно значительным разбросом. Эти токи могут изменяться в диапазоне 10 - 15мА.

Также с помощью этой схемы можно определить ток удержания тиристора, для чего в точку В подключить миллиамперметр, а в точку Б переменный резистор величиной 2,2 - 3,3КОм, предварительно выведенный до нуля. После того, как вращением резистора R2 тиристор удастся включить, при отпущенной кнопке SB1 уменьшать ток в нагрузке с помощью дополнительного переменного резистора.

Наименьший ток, при котором произойдет отключение тиристора, и является током удержания для данного экземпляра. Ток удержания так же, как и ток управляющего электрода невелик, порядка 10 - 15мА, но, в обоих случаях, чем меньше, тем лучше.

Управление тиристором импульсным током

Для проведения этого опыта схему, показанную на рисунке 1, следует несколько изменить, приведя ее к виду в соответствие с рисунком 2.

Рисунок 2. Управление тиристором импульсным током

При нажатии на кнопку SB1 конденсатор C1 заряжается через УЭ тиристора, в результате чего тиристор открывается коротким импульсом зарядного тока, о чем свидетельствует светящаяся лампочка. Отпускание и последующее нажатие кнопки не приведет каким-либо изменениям, лампочка будет продолжать гореть. Погасить ее можно лишь теми способами, которые были рассмотрены ранее, а кроме них кратковременным подключением конденсатора C2, как показано пунктиром. Этот конденсатор шунтирует тиристор, ток через него становится равным нулю, в результате тиристор выключается. Вот только после этого можно снова воспользоваться кнопкой SB1. Чтобы быть готовым к следующему нажатию конденсатор C1 разряжается через резистор R1.

Тиристор в устройстве фазового регулятора мощности

На рисунке 3 показана схема простейшего регулятора мощности на тринисторе, там же временные диаграммы выходных напряжений.

Рисунок 3. Схема для изучения регулятора мощности

В зависимости от величины управляющего тока тиристор имеет свойство открываться при разном напряжении на аноде. Это свойство используется в схемах регуляторов мощности. На схеме показаны точки для подключения осциллографа, что позволит воочию увидеть диаграммы, показанные на рисунке. Если такой возможности нет, то придется просто поверить на слово.

Питание регулятора осуществляется от трансформатора, как в предыдущих опытах через диодный мост VD1 - VD4. Фильтрующий конденсатор параллельно мосту устанавливать нельзя, поскольку напряжение примет форму, показанную на рисунке 3а пунктиром, и тиристор не сможет выключаться в моменты перехода напряжения через нуль: лампочка, включившись один раз, так и будет продолжать гореть.

Вначале следует движок переменного резистора R2 установить в верхнее по схеме положение и нажать кнопку SB1. Сопротивление в цепи УЭ в этом случае невелико, всего 100 Ω, и ток, достаточный для открытия тиристора получится при напряжении на аноде чуть более одного вольта, в самом начале полупериода. Поэтому лампочка должна зажечься в полный накал, что соответствует временной диаграмме а, которую можно будет наблюдать на осциллографе.

Это напряжение получено в результате двухполупериодного выпрямления синусоиды. Вертикальной штриховки внутри полупериодов, конечно, не будет, это только на рисунке. При отпускании кнопки лампочка должна погаснуть в момент перехода выпрямленного напряжения через нуль.

Если снова нажать кнопку и медленно смещать движок переменного резистора вниз по схеме, то яркость свечения лампы будет уменьшаться, а на осциллографе можно увидеть искаженные куски полусиносоиды. На диаграммах они показаны вертикальной штриховкой. Мощность в нагрузке будет соответствовать заштрихованной площади – в это время тиристор открыт.

Это происходит потому, что при перемещении вниз движка резистора R2 сопротивление в цепи управляющего электрода увеличивается, и ток УЭ достаточный для открытия тиристора получается при все больших значениях напряжения на аноде.

Такое положение дел возможно лишь до диаграммы 3в, пока напряжение на аноде не достигло максимального значения. Заштрихованная часть диаграммы соответствует 50% мощности нагрузки при диапазоне регулирования всего 50 - 100%. Как же продолжить дальнейшее регулирование?

Для этого следует изменить фазу напряжения на УЭ относительно фазы напряжения на аноде, чего можно достичь весьма простым способом. Достаточно подключить конденсатор C1, как показано на схеме пунктиром. Теперь тиристор будет открываться при малых значениях анодного напряжения, начиная со второй части полупериода, как показано на диаграмме 3г, что позволит расширить диапазон регулирования от 0 - 100%.

После изучения теории и проведения простых практических занятий можно переходить к изготовлению светорегуляторов и регуляторов мощности.

Основой светорегуляторов и регуляторов мощности являются, как правило, тиристоры и симисторы. О работе этих полупроводниковых приборов было рассказано в предыдущих трех частях статьи, и теперь можно познакомиться с устройством некоторых практических устройств на тиристорах. Все схемы, которые будут рассмотрены, используют фазовый принцип регулирования, описанный в конце третьей части статьи.

Вначале давайте познакомимся с достаточно простыми схемами, содержащими небольшое количество деталей, и хотя бы поэтому, наиболее доступными для повторения в любительских условиях. Впрочем, схемы могут быть и более сложными, но алгоритм их работы все равно один и тот же – регулировка яркости источника света. Иногда встречаются схемы, сочетающие в себе собственно светорегулятор и сумеречный выключатель, либо схему плавного включения лампы. Но, вначале самые простые схемы.

Чтобы не возвращаться к каждый раз к предыдущей части статьи, пожалуй, этот рисунок вставим еще раз в этом месте текста.

Рисунок 1. Временные диаграммы фазового регулятора мощности

Вертикальная штриховка соответствует включенному состоянию тиристора, а мощность, подводимая к нагрузке, пропорциональна площади заштрихованных участков.

На рисунке 2 показана схема простого светорегулятора, позволяющего только лишь регулировать яркость светильника, безо всяких дополнительных функций.

Рисунок 2. Простой светорегулятор

Сетевое напряжение через предохранитель FU1 поступает на выпрямительный мост VD1 - VD4, в диагональ которого по постоянному току включен тиристор VS1 и лампа EL1. В некоторых схемах лампа включается в диагональ моста по переменному току, но это не принципиально. Тиристор применен достаточно мощный, что позволяет управлять нагрузкой до 1000Вт, как, и указано на принципиальной схеме. Если такая мощность не требуется, то тиристор можно заменить другим, например, из серии КУ202М, что позволит управлять яркостью лампы мощностью не менее 500Вт.

В регуляторе используется фазовый метод управления: на управляющий электрод тиристора поступают импульсы, которые сдвинуты по фазе относительно напряжения на аноде. Схема, вырабатывающая управляющие импульсы, построена на однопереходном двухбазовом транзисторе VT1 типа КТ117А. Зарубежных аналогов этот транзистор не имеет.

Основным назначением этого транзистора является построение простейших генераторов – пищалок, схем запуска импульсных блоков питания (применялся в блоках питания телевизоров серии 3УСЦТ), а также генераторов управляющих импульсов в схемах фазового регулирования, подобной рассматриваемой. Работает этот генератор следующим образом.

Выпрямленное сетевое напряжение через резисторы R3, R4 стабилизируется последовательно соединенными стабилитронами VD5 VD6 на уровне около 22 - 25В, что зависит от конкретных экземпляров стабилитронов. Это напряжение, кстати, пульсирующее, соответствует диаграмме а) на рисунке 1.

Этим пульсирующим напряжением через резисторы R6, R7 заряжается конденсатор C2. Как только напряжение на нем достигнет величины открывания однопереходного транзистора VT1 он открывается и конденсатор C1 разряжается через его переход Б2 – Б1, резисторы R1, R2 и УЭ тиристора VS1, в результате чего формируется управляющий импульс, тиристор открывается и ток проходит через нагрузку. Когда выпрямленное пульсирующее напряжение проходит через ноль, тиристор закрывается и остается в закрытом состоянии до прихода следующего открывающего импульса.

Скорость заряда конденсатора C2 регулируется резистором R7. Когда его сопротивление минимально (движок выведен влево по схеме), скорость заряда максимальна, тиристор откроется в самом начале полупериода, пропуская в нагрузку максимальную мощность. При перемещении движка резистора R7 вправо по схеме скорость заряда конденсатора C2 снижается, поэтому управляющий тиристором VS1 импульс будет сформирован позднее. Поскольку это регулирование фазовое, а фаза измеряется угловыми единицами - радианами, говорят, что импульс формируется при определенном угле, в данном случае более позднем, чем при максимальной мощности в нагрузке. Именно этот процесс показан на рисунке 1 на диаграммах б, в, г.

На схеме пунктирной линией показаны светодиод HL1 и резистор R8. Их назначение показать, что устройство подключено к сети, а также контроль исправности лампы, если, конечно регулятор уведен на минимум. Но, собственно регулятор вполне работоспособен и без этого дополнения, или как теперь не скажут опции.

Настройка устройства достаточно проста. При выведенном до нуля резисторе R6 подбирается резистор R7 таким образом, чтобы яркость лампы была максимальной. Эта настройка зависит от величины конденсатора C2, значение которого также может потребовать подбора в пределах, указанных на схеме.

Рис. 3. Самодельный светорегулятор

В рассмотренной схеме в качестве коммутирующего элемента используется тиристор, поэтому, чтобы было возможно регулировать и положительную и отрицательную полуволну сетевого напряжения в схеме приходится применять диодный мост достаточно большой мощности.

Если же мощность нагрузки близка к максимально допустимой, то тиристор, а вместе с ним и диоды моста придется устанавливать на теплоотвод – радиатор, что еще больше увеличивает габариты устройства и трудоемкость его изготовления. Чтобы избавиться от применения мощного выпрямительного моста применяется встречно – параллельное включение двух тиристоров, что тоже не совсем удобно и технологично.

Гораздо лучшие результаты дает применение симметричных тиристоров – симисторов: в одном корпусе уже содержится два встречно – параллельно включенных тиристора. На рисунке 4 показана доработанная схема с использованием симистора.

Рисунок 4. Светорегулятор на симисторе

Небольшая доработка схемы позволит несколько уменьшить ее габариты, при этом мощность нагрузки остается той же самой. Узел запуска тиристора выполнен также на однопереходном транзисторе КТ117А, вот только нагружен транзистор на согласующий трансформатор Т1. Такое согласование необходимо для того, чтобы получить управляющие импульсы без постоянной составляющей. Это дает возможность открывать симистор как в положительные, так и в отрицательные полупериоды сетевого напряжения.

Согласующий трансформатор выполнен на ферритовом кольце типоразмера К16*10*4 из феррита самой распространенной марки НМ2000. Обмотка 1 содержит 80, а обмотка 2 - 60 витков провода ПЭЛШО-0,12. Перед намоткой острые кромки кольца следует притупить наждачной бумагой или алмазным надфилем, чтобы избежать повреждения изоляции, а само кольцо обмотать лентой из тонкой лакоткани, в крайнем случае, липкой лентой скотч.

Выпрямительный мост VD1 - VD4 используется только для питания узла регулировки, а также нового элемента схемы – узла плавного запуска нагрузки. Поэтому диоды в нем маломощные, кроме указанных на схеме можно применить 1N4007, подходят почти на все случаи жизни. Узел плавного запуска собран на транзисторах VT2, VT3.

Его работа происходит следующим образом. При включении питания конденсатор C2 начинает заряжаться по цепи VD6, R10. Через диод VD5 напряжение на конденсаторе C2 начинает открывать транзисторы VT3 и VT2. Сопротивление участка эмиттер – коллектор транзистора VT2 уменьшается, поэтому плавно уменьшается общее сопротивление участка R4, VT2, R5, и также плавно возрастает скорость зарядки конденсатора C1, яркость свечения лампы увеличивается.