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無線電子工学および電気工学の百科事典 面白い実験: サイリスタのファミリー。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
人気の無線工学雑誌で「サイリスタ」という言葉をよく耳にしたり、読んだりすることがあります。 半導体デバイスの話です。 しかし、残念ながら、サイリスタはデバイスの一種であるため、そのようなデバイスは存在しません。 これには、ダイニスタ (ダイオード サイリスタ)、トリニスタ (三極サイリスタ)、トライアック (対称サイリスタ) が含まれます。 楽しい実験の過程で彼らについて知りましょう。 まずは始めましょう ダイニスター. サイリスタのクラスの各半導体デバイスは、交互の pn 接合の半導体構造を形成するいくつかの層の「パイ」です。 ディニスターにはそのような遷移が 1 つありますが (図 XNUMX)、結論は極端な領域 (p と n) からのみ得られます。 n型の導電性を持つ「パイ」結晶の表面は、通常、ケースの底部にはんだ付けされています。これがディニスタのカソードであり、結晶の反対側の表面からの出力は、ガラス絶縁体を通して行われます。陽極です。
外部的には、ディニスタ（文字インデックス AI が付いた KN102 シリーズと、2N102 という名称の類似品が一般的です）は、D226 シリーズの整流ダイオードと何ら変わりません。 ダイオードの場合と同様に、プラスの電源電圧がダイニスタのアノードに供給され、マイナスがカソードに供給されます。 また、ディニスター回路には、抵抗、ランプ、変圧器巻線などの負荷を必ず含めてください。 電圧を徐々に増加させると、最初はジニスターを流れる電流がわずかに増加します(図2)。 ディニスターは実質的に閉まっています。 この状態は、ダイニスタの両端の電圧がターンオン電圧 Uon に等しくなるまで続き、この時点で 102 層構造内で雪崩のような電流の成長が始まり、ダイニスタはオープン状態になります。 両端の電圧降下は急激に減少し (これは特性で確認できます)、ディニスタを流れる電流は負荷抵抗によって決まりますが、最大許容値 Iopen.max を超えてはなりません。シリーズの場合、この電流は 200 mA です。
ディニスタが開く電圧をターンオン電圧 (Uon) といい、この値に対応する電流をターンオン電流 (Ion) といいます。ディニスタごとにターンオン電圧は異なります。 KN102A の場合は 20 V、KN102I の場合は 150 V です。同じシリーズのすべてのディニスタのスイッチング電圧は 5 mA です。 ジニスタは、そこを流れる直流電流が保持電流と呼ばれる最小許容電流 Isp を超える限り、オープン状態を維持できます。 ダイニスタの特性の逆分岐は、従来のダイオードの同じ分岐に似ています。 許容 Urev.max を超える逆電圧をディニスターに供給します。 それを無効にすることができます。 すべてのディニスターと Uobr.max が対象です。 電流 Iobr.max は 10 V です。 0,5mAを超えないこと。 ディニスターのパラメーターの一部については理解できたので、XNUMX つのジェネレーターを組み立てて実験してみましょう。 ライトフラッシュジェネレーター（図3）。 白熱灯のようなフラッシュを得ることができます。 発電機のプラグ X1 が電源コンセントに挿入されると、コンデンサ C1 が充電を開始します (正の半サイクルの間のみ)。 充電電流は抵抗 R1 によって制限されます。 両端の電圧がディニスタのターンオン電圧に達するとすぐに、コンデンサはコンデンサとEL1ランプを通して放電します。 コンデンサの電圧はランプの動作電圧 (8 V) よりもはるかに高くなります (2,5 倍!) が、放電電流パルスの持続時間が短すぎるため、ランプは切れません。
コンデンサが放電されると、ディニスタが閉じ、コンデンサは再び充電を開始します。 すぐに新しいフラッシュが表示され、続いて次のフラッシュが表示されます。詳細は図に示されており、0,5 秒ごとにフラッシュが続きます。 抵抗器を別の、たとえば抵抗値の低いものに交換します。 発作の頻度も増えるでしょう。 そして、より高い抵抗の抵抗を使用すると、それは減少します。 コンデンサの静電容量を小さくするか大きくしても同様の結果が得られます。 元の発電機回路に戻り、少なくとも 2 V の電圧に対して数マイクロファラッドの容量を持つ追加のコンデンサ C400 (紙または酸化物でよい) を取り付けます。フラッシュは消えます。 解決策は簡単です。 このコンデンサが存在しない場合、抵抗器は図 3 を受け取りました。 主電源電圧の 1 半サイクル、つまり、ゼロから最大振幅値まで変化します。 したがって、コンデンサ C2 を放電した後、ある時点 (正弦波がゼロを通過するとき) でディニスタを流れる電流がゼロに低下し、ディニスタがオフになります。 コンデンサCXNUMXを接続すると、コンデンサは半波整流器のフィルタとして機能し始め、その両端の電圧はゼロに下がらないため、回路による抵抗器の左側の出力の電圧はすでに脈動しています。 したがって、ディニスタを開いてランプが最初に点滅した後も、保持電流を超える小さな電流が流れ続けます。 ディニスタはオフにならず、発電機も動作しません。 確かに、抵抗器の抵抗を増やすことでジェネレーターを動作させることができます (これを検証することもできます) が、その場合、フラッシュが発生するのは非常にまれになります。 フラッシュ周波数を上げるには、コンデンサ C1 の静電容量を減らしてみてください。 次のことが起こります。コンデンサに蓄えられたエネルギーでは、フラッシュの十分な明るさを維持するのに十分ではありません。 このデバイスのディニスタは、図に示されているディニスタに加えて、KN102B にすることもできます。 コンデンサ C 1 - 定格電圧が少なくとも 50 V の任意のタイプの酸化物、ダイオード - 電流が少なくとも 50 mA、逆電圧が少なくとも 400 V の場合、抵抗器 - 電力が少なくとも 2 W 、ランプ - 動作電圧2,5 V、電流0,26 Aの場合。 可聴周波数発生器（図4）。 その回路は前の回路と似ていますが、白熱灯はより高い抵抗負荷であるTON-2 (BF1)ヘッドフォンに置き換えられており、そのカプセルはヘッドバンドから取り外されて(取り外すことはできません)、直列に接続されています。 充放電コンデンサ (C2) の静電容量が大幅に減少したため、生成される信号の周波数が増加しました (最大 1000 Hz)。 ディニスタ回路の制限抵抗（R2）の抵抗値も増加しています。
残りの要素は半波整流器で、コンデンサ C1 が整流された電圧をフィルタリングし、抵抗 R1 が VD1 ダイオードの逆電圧の低減に役立ちます。 45 ... 60 V の交流電圧を使用して発電機に電力を供給する場合、抵抗 R1 は必要ありません。 コンデンサC1は紙、たとえばMBM、C2は少なくとも50Vの電圧の任意のタイプ、ダイオードは少なくとも400Vの許容逆電圧を持つ任意のタイプにすることができます。 X1 プラグを電源ソケットに差し込むとすぐに、ヘッドフォンから特定のトーンのサウンドが表示されます。 コンデンサ C2 を別のより小さい静電容量と交換すると、音のトーンが増加します。 より大きなコンデンサを取り付けると、電話機には低い音の音が聞こえるようになります。 抵抗器 R2 の抵抗値を変更しても同じ結果が得られます - これを確認してください。 現在、ディニスターに近い特性を持つ超小型回路が製造されており、場合によってはそれらを置き換えることができることに注意してください (「Radio」、1998 年、No. 5、59 ～ 61 ページを参照)。 最後に、安全上の注意について少しお話します。 発電機を使った実験を行うときは、X1 プラグがネットワークに接続されている部品のリードに触れないでください。ヘッドホンに触れないでください。特に頭の上に置かないでください。また、すべてのはんだ付けまたは接続部品については、電源を切ってください。コンデンサの構造と放電（ピンセットまたは取り付けワイヤを使用）。 サイリスタ クラスの次の半導体デバイスはトリニスタです。 ディニスターとの主な違いは、5 層構造の遷移 (図 XNUMX) の XNUMX つから制御電極 (GE) と呼ばれる追加の出力が存在することです。 この結論は何をもたらすのでしょうか?
制御電極がどこにも接続されていないと仮定します。 このバージョンでは、サイリスタはダイニスタの機能を保持し、アノード電圧 Uon に達するとオンになります (図 6)。
しかし、ターンオン電圧が低下するにつれて、カソードに対して制御電極に少なくとも小さな正の電圧を印加し、制御電極 - カソード回路に直流電流を流すことは価値があります。 電流が高くなるほど、ターンオン電圧は低くなります。 最低ターンオン電圧は、整流電流と呼ばれる特定の最大電流 Iу.е に対応します。直接分岐は、同じダイオード分岐と同様になるまで整流されます。 SCR をオンにした (つまり開いた) 後、制御電極はその特性を失い、順電流を保持電流 Isp 未満に下げるか、電源電圧を一時的にオフにする (短絡) ことによって SCR をオフにすることができます。アノードとカソード間の回路は許容されます)。 トリニスタは、制御電極を通過する直流電流とパルス電流の両方によって開くことができ、許容パルス持続時間は XNUMX 万分の XNUMX 秒です。 各トリニスタ (ほとんどの場合、KU101、KU201、KU202 シリーズのトリニスタを使用する必要があります) には、参考書に記載されている特定のパラメータがあり、通常、それによって組み立てられた構造用のトリニスタが選択されます。 まず、これは閉状態での許容直流順電圧 ( Upr ) と一定の逆電圧 ( Uobr ) です。これはすべてのトライニスタに対して指定されているわけではなく、そのような数値が存在しない場合、逆電圧を適用することは望ましくありません。このトリニスタへの電圧。 次のパラメータは、特定の許容ケース温度における開放状態での直流電流 (Ipr) です。 トリニスタがより高い温度まで加熱する場合は、ラジエーターに取り付ける必要があります。これは通常、設計の説明で報告されます。 保持電流 (Iud) などのパラメータも同様に重要であり、制御信号が除去された後に SCR がオンのままになる最小アノード電流を特徴付けます。 制御電極回路の制限パラメーター、つまり最大開放電流 (Iу.ot) と Iу.ot を超えない電流での一定の開放電圧 (Uу.ot) も交渉されます。 KU201、KU202 シリーズのトリニスタを動作させる場合、制御電極とカソードの間に抵抗値 51 オームのシャント抵抗器を含めることをお勧めしますが、実際には、ほとんどの場合、抵抗器なしでも信頼性の高い動作が観察されます。 そして、これらのトリニスタにとってもう XNUMX つの重要な条件は、アノードに負の電圧がかかると、制御電流の供給が許可されないことです。 ここで、SCR の動作とその制御の特徴をより深く理解するために、いくつかの実験を行ってみましょう。 サイリスタ、たとえば KU201L、小型 24 V 白熱灯、負荷電流 18 ～ 24 A で 0,15 ～ 0,17 V の定電圧源、および 12 ～ 14 A の交流電圧源を用意します。 V (たとえば、最大 6,3 A の電流で 0,2 V の XNUMX つの二次巻線が直列に接続された古い受信機またはテープ レコーダーの変圧器のネットワーク)。 トリニスターの開き方（図7）。 可変抵抗器 R2 のモーターを図に従って下側の位置に設定し、サイリスタ カスケードを直流電源に接続します。 SB1 ボタンを押して、HL1 ランプが点灯するまで可変抵抗スライダーを回路上に滑らかに移動します。 これはサイリスタが開いたことを示します。 ボタンを放してもランプは点灯し続けます。
サイリスタを閉じて元の状態に戻すには、電源を短時間オフにするだけで十分です。 ランプが消えます。 もう一度ボタンを押すとサイリスタが開き、ランプが点灯します。 次に、別の方法で消火してみます。図に示すように、ボタンを短時間、たとえばピンセットで放して、アノード端子とカソード端子を閉じます。 7点線。 SCR の開放電流を測定するには、制御電極の開放回路 (A 点) にミリ電流計を接続し、(ボタンを押したまま) 可変抵抗器のスライダーを下側の位置から上側の位置に滑らかに移動し、SCR の開放電流が測定されるまで待ちます。ランプが点灯します。 ミリアンペアの針が希望の電流値を記録します。 あるいは、SCR の保持電流がどのくらいかを知りたいですか? 次に、ミリ電流計を点 B の開回路に接続し、それに直列に可変抵抗器 (公称値 2,2 または 3,3 kOhm) を接続します。最初にその抵抗を取り除く必要があります。 SCR を開いた状態で、ミリ電流計の針が突然ゼロに戻るまで、追加の抵抗器の抵抗を増加させます。 この瞬間の前のミリ電流計の読み取り値が保持電流です。 トリニスタはインパルスによって制御されます（図8）。 可変抵抗器を削除し、容量が 1 または 0,25 μF のコンデンサ C0,5 を導入することにより、サイリスタ段をわずかに変更します。 これで、サイリスタが制御不能になるわけではありませんが、DC 電圧は制御電極に供給されなくなります。
カスケードに電源電圧を印加した後、ボタンを押します。 コンデンサ C1 はほぼ瞬時に充電され、パルス状の充電電流が抵抗 R2 と並列接続された制御電極を通過します。 しかし、トリニスターがオープンするには、そのような短期的な衝動でも十分です。 ランプが点灯し、ボタンを放しても先ほどと同様にこの状態が維持されます。 コンデンサは抵抗 R1、R2 を通じて放電し、次の電流パルスに備えることができます。 ここで、少なくとも 2 マイクロファラッドの容量を持つ酸化物コンデンサ C100 を用意し、適切な極性でトリニスタのアノード端子とカソード端子に接続します。 充電電流のパルスもコンデンサを通過します。 その結果、サイリスタはバイパスされ（示された端子が閉じられ）、当然のことながら閉じます。 電力レギュレータ内のSCR (図9)。 制御電極の電流に応じて異なるアノード電圧で開く SCR の機能は、負荷に流れる平均電流を変更する電力レギュレーターで広く使用されています。
トリニスターのこの「職業」を理解するには、図に示されている部品からレイアウトを組み立ててください。 全波整流器では、個々のダイオードと既製のダイオード ブリッジ (KTs402、KTs405 シリーズなど) の両方が機能します。 ご覧のとおり、整流器の出力にはフィルタ コンデンサがありません。ここでは必要ありません。 カスケード内で発生するプロセスを視覚的に制御するには、内部同期を備えた自動 (またはスタンバイ) モードで動作する負荷 (HL1 ランプ) に並列にオシロスコープを接続します。 可変抵抗器R2のスライダーを図のように上側（抵抗値が出力）に設定し、ダイオードブリッジに交流電圧を印加します。 SB1ボタンを押します。 ランプがすぐに点灯し、オシロスコープ画面に正弦波の半サイクルの画像（図a）が表示されます。これは、平滑コンデンサを使用しない全波整流の特徴です。 ボタンを放すとランプが消えます。 正弦波電圧がゼロを通過するとすぐにトリニスタが閉じるため、すべてが正しいです。 フィルタリング酸化コンデンサが整流器の出力に取り付けられている場合、整流された電圧がゼロに減少することはできません (このオプションの電圧形状は図に破線で示されています)。ボタンを押してもランプは消えません。解放されます。 もう一度ボタンを押して、可変抵抗器のスライダーを回路に沿ってスムーズに動かします（抵抗値を入力します）。 ランプの明るさが減少し始め、「半正弦波」の形状が歪み始めます (図 b)。 ここで、制御電極を流れる電流は元の値に比べて減少するため、サイリスタはより高い電源電圧、つまり半正弦波の一部で開き、サイリスタは閉じたままになります。 これによりランプに流れる平均電流が減少するため、明るさが低下します。 抵抗モーターがさらに移動し、制御電流が減少すると、供給電圧が実際に最大値に達した場合にのみサイリスターが開きます (図 c)。 その後、制御電極を流れる電流が減少すると、SCR は開かなくなります。 ご覧のとおり、制御電流、つまり制御電極の電圧の振幅を変更することにより、かなり広い範囲で負荷の電力を制御することが可能です。 これがサイリスタを制御する振幅法の本質です。 大きな制御限界を得る必要がある場合は、制御電極の電圧の位相を陽極電圧の位相と比較して変化させる位相法が使用されます。 この制御方法に切り替えるのは難しくありません。制御電極とトリニスタ陰極の間に 1 ～ 100 マイクロファラッドの容量を持つ酸化物コンデンサ C200 を接続するだけで十分です。 これで、トリニスタはアノード電圧の小さな振幅で開くことができるようになりますが、すでに各半サイクルの後半の「半分」で開いています（図d）。 その結果、負荷を流れる平均電流、つまり負荷に放出される電力の変化の限界が大幅に拡大します。
トリニスターアナログ。 必要なサイリスタを購入できない場合があります。 これは、異なる構造の 2 つのトランジスタから組み立てられたアナログに置き換えることができます。 正の（エミッタに対して）電圧がトランジスタ VT1 のベースに印加されると、トランジスタはわずかに開き、トランジスタ VT2 のベースの電流がそこを流れます。 このトランジスタもわずかに開き、トランジスタ VTXNUMX のベース電流が増加します。 トランジスタ間の正のフィードバックにより、アバランシェ オープンが発生します。 アナログトランジスタは、最大負荷電流と電源電圧に応じて選択されます。 アナログとサイリスタの両方の制御遷移には、正極性のみの電圧 (またはパルス信号) が供給されます。 設計中のデバイスの動作条件により、負の信号が現れる可能性がある場合は、ダイオード（カソードから制御電極、アノードからSCRのカソード）をオンにするなどして、制御電極を保護する必要があります。 サイリスタ ファミリの最後のデバイスはトライアック (図 11)、対称です。 サイリスタ。 トリニスタと同様に、同じアノード、制御電極、およびカソード端子を備えた同様のパッケージで製造されています。 トライアックは電子と正孔の遷移を伴う複雑な多層構造を持っています。 制御出力 (CE) は、遷移の XNUMX つから生成されます。
構造の両端の領域は同じ種類の伝導を有するため、トライアックの電極に適切な電圧が存在すると、電流パルスが両方向に通過することができます。 アマチュア無線の練習でよく見かけるトライアックはKU208シリーズです。 著者: B.イワノフ
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