Как прозвонить тиристор: Проверить тиристор своими руками — [ Подробная статья ]

Как починить гирлянду — Лайфхакер

6 декабря 2022 Ликбез Сделай сам

Не спешите выбрасывать старые огоньки и бежать в магазин за новыми.

Как правило, у гирлянд довольно простая конструкция и типичные неисправности, которые легко устранить даже без специальных навыков и инструментов. Но в некоторых случаях может понадобиться паяльник и мультиметр. Поэтому, возможно, всё же придётся обратиться к знакомому радиолюбителю.

Причиной неполадок гирлянды, как и любой электротехники, является выход из строя одного или нескольких элементов схемы. Чинится всё обычно заменой неисправной детали, которую можно найти в другой гирлянде или какой-то сломанной технике.

Неосторожное обращение с электрогирляндой может обернуться ударом тока или порчей прибора. Все действия вы выполняете на свой страх и риск. Будьте осторожны, Лайфхакер не несёт никакой ответственности.

Как устроена гирлянда

Кадр: @Hands for Hire / YouTube

Все электрические гирлянды устроены одинаково. В старых образцах это соединённые в одну цепь лампочки, которые горят или мигают при подключении к сети. В современных добавляется контроллер для свечения в разных режимах, а лампочки могут быть заменены светодиодами.

Обычно у старых или декоративных гирлянд два провода, а если быть точнее — один, который соединён в виде кольца и скручен. У современных моделей пять проводков. На четырёх расположены светодиоды — это ветки. Пятый — общий — остаётся пустым.

У дальнего края все они соединяются воедино, а вторые их концы уходят в небольшую коробочку с кнопкой и штепсельной вилкой.

Внутри коробочки находится контроллер — небольшая плата, на которой есть микросхема для создания эффектов и несколько деталек. Диодный мост, конденсатор, пара резисторов и четыре (либо два) тиристора, управляющих свечением каждой из веток с огоньками одного цвета.

Кадр: @Sergey Neverov, @Ace Hardware / YouTube

На фото слева пара чёрных деталек впереди — это тиристоры. Чуть выше плата управления с микросхемой. Бочонок над ней — конденсатор, а ряд из трёх маленьких деталей рядом — диоды. Небольшие чёрные детали с тремя полосками по краям — резисторы.

На фото справа обратная сторона платы, два провода слева — питание от сети, ряд проводов с противоположной стороны — линии веток каждого цвета и общий.

Как починить гирлянду, если она не включается

Причина 1. Обрыв провода питания

Тонкие проводки часто повреждаются, ломаясь у вилки или отрываясь от платы внутри блока управления.

1 / 0

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

2 / 0

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Пошевелите провод у вилки и рядом с коробочкой. Если гирлянда заработает, значит, проблема найдена и останется только заменить кабель, разобрав блок контроллера.

Если нет — поиск неисправности нужно начать с кабеля питания. Откройте крышку, отпаяйте два идущих к плате провода и замените их на рабочий провод с вилкой.

Если на плате нет видимых повреждений, это должно помочь и гирлянда заработает. В противном случае проблему нужно искать в диодах питания.

Причина 2. Сгоревший диодный мост

Скачки напряжения могут вывести из строя один или несколько диодов диодного моста. Как следствие, на плату не будет подаваться питание и гирлянда не включится.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Проверьте все диоды с помощью мультиметра и замените неработающие на исправные. Детали можно взять из другой гирлянды или найти подходящие по номиналу, указанному на корпусе.

Как починить гирлянду, если не работает один из цветов

Причина 1. Обрыв цепи одной из веток

Из-за плохого качества провода могут обломаться либо у самой платы, либо где-то между светодиодами. В обоих случаях цепь размыкается и светодиоды перестают светиться.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Отделите неработающую ветку от остальных и внимательно осмотрите провод, чтобы проверить его целостность. Если он отошёл от платы, зачистите, припаяйте заново и для надёжности закрепите горячим клеем.

Если повреждение на кабеле между светодиодами, зачистите концы провода и спаяйте либо соедините их скруткой, а затем заизолируйте термоусадкой или изолентой.

Причина 2. Сгоревший светодиод

Часто горят и некачественные светодиоды. При последовательном соединении это означает такой же обрыв цепи, как и в предыдущем случае.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Найти нерабочий светодиод или лампочку в последовательной цепи сложнее. Как вариант — прозванивать каждый элемент с помощью мультиметра.

Для восстановления цепи нерабочий светодиод можно либо заменить, либо просто убрать и соединить концы проводов между собой, заизолировав их. Без последствий можно выбросить до пяти светодиодов в одной ветке.

Причина 3. Поломка тиристора

При выходе из строя управляющего тиристора одной из линий все светодиоды одного цвета перестают работать.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как устранить

Исправить поломку можно только заменой тиристора на рабочий от другой гирлянды или подходящий по номиналу. Для проверки нужно использовать мультиметр или прибегнуть к следующему способу.

Определите провод нерабочей ветки и поменяйте местами с одной из исправных, отпаяв или обрезав и соединив скруткой. Если дефектная линия после этого заработает, значит, проблема в тиристоре.

Провода, которые идут к тиристорам, обычно расположены в ряд у одного из краёв платы. На противоположном будет всего два провода — это питание. Перепутать их сложно.

Как починить гирлянду, если один из цветов светится тускло

Причина 1. Надрыв провода ветки

Из-за надлома жил внутри провода в цепи одной из веток нарушается контакт. Ток ещё проходит, но его уже не хватает, чтобы зажечь все светодиоды.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Внимательно осмотрите всю ветку. Шевелите провода у платы и каждого из светодиодов включённой гирлянды, чтобы определить повреждённое место. Как только найдёте его, все светодиоды загорятся в полную силу. Далее останется восстановить нормальный контакт, припаяв провод или зачистив и соединив его.

Причина 2. Сломанный тиристор

Из-за неисправного тиристора одной из линий может быть недостаточно тока для нормальной работы всех светодиодов.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Лечится эта поломка только заменой тиристора на другой. Проверить работоспособность можно мультиметром, либо перебросив провод на одну из рабочих линий.

Как починить гирлянду, если она беспорядочно мигает в любом режиме

Причина 1. Выход из строя конденсатора

Пересыхание, течь или вздутие электролитического конденсатора вызывает сбои в работе контроллера.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Внимательно осмотрите конденсатор. Если он разбух, потемнел или на нём видны потёки электролита, значит, необходима замена. Рассмотрите корпус, чтобы узнать номинал и напряжение, а затем найдите аналог с параметрами не меньше оригинальных. Аккуратно выпаяйте старый конденсатор и установите новый, соблюдая полярность.

Причина 2. Поломка резистора

Сгоревшие резисторы также вызывают неполадки в работе контроллера и нестабильную работу режимов свечения.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

Проверьте сопротивление резисторов мультиметром и замените неисправные на рабочие такого же номинала. Если визуально детали целые, всё равно лучше заменить их, чтобы исключить неисправность.

Как починить гирлянду, если все светодиоды горят одновременно и не мигают

Причина 1. Поломка микросхемы

Повреждение микросхемы контроллера заставляет все светодиоды гореть одновременно и не мигая. Режимы перестают работать, а при нажатии кнопки огоньки загораются и гаснут, если её отпустить.

Фото: Артём Козориз / Лайфхакер

Как исправить

К сожалению, гирлянды с такой неисправностью не подлежат ремонту. Исправный контроллер от другой гирлянды не подойдёт. Он рассчитан на иное количество светодиодов и сопротивления, ток тиристоров. Поэтому в лучшем случае не заработает, а в худшем вызовет короткое замыкание.

Читайте также ⚡️🧐

• Как подготовиться к Новому году без спешки
• Как красиво повесить гирлянду на окно и стену
• Как выбрать идеальную новогоднюю ёлку
• 10 новогодних украшений, которые стоит сделать своими руками
• Что подарить на Новый год — 2023: только лучшие идеи

Тиристор SCR (управляемый кремниевый выпрямитель)

Добавлено 8 октября 2018 в 20:57

Динисторы (диоды Шокли) и тиристоры SCR (Silicon Controlled Rectifiers, управляемые кремниевые выпрямители)

Динисторы (диоды Шокли) – это довольно любопытные устройства, но довольно ограниченные в применении. Однако их полезность может быть расширена путем оснащения их другим средством отпирания. При этом каждый из них становится настоящим усилительным устройством (только если в режиме отпирания/запирания), и мы называем их кремниевыми управляемыми выпрямителями (silicon-controlled rectifier) или SCR тиристорами.

Тиристор SCR (silicon-controlled rectifier, кремниевый управляемый выпрямитель), или просто тринистор

Развитие от динистора до тринистора достигается с помощью одного небольшого дополнения, фактически не более чем третьего подключения к существующей структуре PNPN (рисунок ниже).

Тиристор SCR (управляемый выпрямитель, тринистор)

Проводимость управляемых выпрямителей SCR (тринисторов)

Если управляющий электрод тринистора остается висящим в воздухе (неподключенным), он ведет себя точно так же, как динистор (диод Шокли). Он может быть отперт напряжением переключения или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, всё как у динистора. Запирание осуществляется за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не упадут в режим отсечки, всё как у динистора. Однако, поскольку управляющий вывод подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, он может использоваться как альтернативное средство отпирания тиристора SCR. Прикладывая небольшое напряжение между управляющим электродом и катодом, нижний транзистор будет открываться результирующим тока базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, а затем запитывать базу нижнего транзистора, поэтому он больше не будет нуждаться в активации напряжением управляющего электрода. Разумеется, необходимый для отпирания ток управляющего вывода будет намного ниже, чем ток через SCR тиристор от катода до анода, поэтому, используя SCR тиристор, можно добиться усиления.

Переключение/запуск

Данный метод обеспечения проводимости тиристора SCR называется запуском или переключением, и на сегодняшний день наиболее распространенным способом является тот, которым SCR тиристор отпирается в реальной практике. Фактически, SCR тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжения переключения находились далеко за пределами наибольшего напряжения, ожидаемого от источника питания, поэтому его можно включить (отпереть) только путем преднамеренного импульса напряжения, подаваемого на управляющий вывод.

Обратное переключение

Следует отметить, что SCR тиристоры иногда могут быть выключены (заперты) путем прямого замыкания управляющего вывода и вывода катода или с помощью «обратного переключения» управляющего вывода отрицательным напряжением (относительно катода), чтобы принудительно перевести нижний транзистор в режим отсечки. Я говорю, что это «иногда» возможно потому, что это включает в себя шунтирование всего тока верхнего транзистора через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть существенным, что в лучшем случае затрудняет запирание SCR тиристора. Вариация SCR тиристора под названием запираемый тиристор, или GTO (Gate-Turn-Off), облегчает эту задачу. Но даже с GTO тиристором ток управляющего электрода, необходимый для его отключения, может составлять до 20% от тока анода (нагрузки)! Условное обозначение GTO тиристора показано на рисунке ниже.

Условное обозначение GTO тиристора

SCR тиристоры против GTO тиристоров

Тиристоры SCR и GTO имеют одну и ту же эквивалентную схему (два транзистора, соединенные по принципу положительной обратной связи), единственными отличиями являются детали конструкции, предназначенные для предоставления NPN транзистору большего коэффициента β, чем у PNP транзистора. Это позволяет меньшему току управляющего электрода (прямому или обратному) осуществлять большую степень управления проводимостью от катода к аноду, причем открытое состояние PNP транзистора больше зависит от NPN транзистора, чем наоборот. Запираемый тиристор GTO также известен под названием тиристор GCS (Gate-Controlled Switch).

Проверка работоспособности SCR тиристора с помощью мультиметра

Элементарный тест работоспособности SCR тиристора или, по крайней мере, определение выводов, может выполняться измерителем сопротивления. Поскольку внутреннее соединение между управляющим электродом и катодом является PN переходом, мультиметр должен показывать целостность соединения между этими выводами с красным измерительным щупом на управляющем электроде и черным измерительным щупом на катоде следующим образом (рисунок ниже).

Элементарная проверка SCR тиристора

Все остальные измерения целостности соединений, выполненные на SCR тиристоре, будут показывать «разрыв» («OL» на дисплеях некоторых цифровых мультиметров). Следует понимать, что этот тест очень груб и не является полной оценкой SCR тиристора. SCR тиристор может давать хорошие показания омметра и по-прежнему оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR тиристор – подвергнуть его нагрузочному току.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диода», показания напряжения перехода управляющий электрод — катод, которые вы получите, могут соответствовать, а могут и нет, тому, что ожидается от кремниевого PN перехода (примерно 0,7 вольта). В некоторых случаях вы будете получать показания намного более низкого напряжения перехода: сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом и включенным в некоторые SCR тиристоры. Этот резистор добавляется, чтобы сделать SCR тиристор менее восприимчивым к ложным срабатываниям из-за ложных импульсов напряжения, из-за «шума» схемы или из-за статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного к переходу управляющего электрода и затвора, требует большего переключающего сигнала (существенного тока) для отпирания SCR тиристора. Эта функция часто встречается в мощных SCR тиристорах, а не в маленьких. Не забывайте, что SCR тиристор с внутренним резистором, подключенным между управляющим электродом и катодом, будет показывать целостность соединения в обоих направлениях между этими двумя выводами (рисунок ниже).

У больших SCR тиристоров между управляющим электродом и катодом есть встроенный резистор

SCR тиристоры

с чувствительным управляющим электродом

«Обычные» SCR тиристоры, лишенные внутреннего резистора, иногда называются SCR тиристорами с чувствительным управляющим электродом из-за их способности запускаться малейшим положительным сигналом на управляющем электроде.

Тестовая схема для SCR тиристора является практичной в качестве диагностического инструмента для проверки подозрительных SCR тиристоров, а также отличной помощью для понимания основ работы SCR тиристоров. Для питания схемы используется источник питания постоянного тока, а два кнопочных коммутатора используются для отпирания и запирания SCR тиристора (рисунок ниже).

Схема для проверки SCR тиристоров

Нажатие нормально разомкнутой кнопки «вкл» соединяет управляющий электрод с анодом, позволяя протекать току от отрицательного вывода батареи через PN переход катод — управляющий электрод, через кнопку, через резистор нагрузки, и обратно к батарее. Этот ток управляющего электрода должен заставить SCR тиристор отпереться, позволяя протекать току прямо от катода к аноду без дальнейшего отпирания через управляющий электрод. Когда кнопка «вкл» отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутой кнопки «выкл» разрывает цепь, заставляя ток через SCR тиристор остановиться, тем самым вынуждая его запереться (величина тока ниже тока удержания).

Ток удержания

Если SCR тиристор не отпирается, проблема может быть связана с нагрузкой, а не с тиристором. Чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, требуется определенная величина тока нагрузки. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может и не набирать достаточный ток, чтобы удерживать SCR тиристор отпертым, когда прекращается ток через управляющий электрод, что дает ложное впечатление о плохом (неотпираемом) SCR тиристоре в тестовой схеме. Значения тока удержания для разных SCR тиристоров доступны у производителей. Типовые значения тока удержания колеблются от 1 миллиампера до 50 миллиампер и более для больших тиристоров.

Чтобы проверка была исчерпывающей, необходимо протестировать более чем переключающее поведение. Прямое напряжение переключения SCR тиристора можно проверить, увеличивая напряжение источника постоянного тока (без нажатия кнопок) до тех пор, пока SCR тиристор не отопрется самостоятельно. Остерегайтесь того, что для теста переключения может потребоваться очень высокое напряжение: многие мощные SCR тиристоры имеют номинальное напряжение переключения 600 вольт и более! Кроме того, если имеется импульсный генератор напряжения, аналогичным способом может быть проверена критическая скорость повышения напряжения SCR тиристора: необходимо подвергнуть тиристор импульсному напряжению с разными скоростями напряжение/время без воздействия на кнопочные переключатели и пронаблюдать, когда тиристор отопрется.

В этом простом виде, схема для проверки SCR тиристоров может быть достаточной в качестве схемы управления запуском/остановкой для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки (рисунок ниже).

Схема управления запуском/остановкой двигателя постоянного тока

Схема «монтировки»

Другое практическое применение SCR тиристора в схемах постоянного тока – это устройство «монтировки» для защиты от перенапряжения. Схема «монтировки» состоит из SCR тиристора, установленного параллельно выходу источника постоянного напряжения, для установления короткого замыкания на выходе этого источника питания, чтобы предотвратить подачу слишком повышенного напряжения на нагрузку. Повреждение SCR тиристора и источника питания предотвращается путем установки перед SCR тиристором подходящего предохранителя или существенного последовательного сопротивления для ограничения тока короткого замыкания (рисунок ниже).

Схема «монтировки», используемая в источнике питания постоянного тока

Некоторое устройство или схема, определяющие выходное напряжение, будут подключены к управляющему электроду SCR тиристора, поэтому при возникновении состояния перенапряжения между управляющим электродом и катодом будет приложено напряжение, отпирающее SCR тиристор и заставляющее сработать предохранитель. Эффект будет примерно таким же, как кидание стальной монтировки прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство применений SCR тиристоров предназначены для управления питанием переменным током, несмотря на то, что SCR тиристоры являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если схеме требуется двунаправленный ток, можно использовать несколько SCR тиристоров, причем для обработки обоих полупериодов волны переменного тока в каждом направлении должны смотреть один или несколько тиристоров. Основная причина, по которой SCR тиристоры вообще используются в приложениях управления питанием переменным током, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток. Как мы видели, тиратронная лампа (электронно-ламповая версия SCR тиристора) и симметричный динистор (DIAC), гистерезисное устройство, запускаемое во время части полупериода переменного тока, будут отпираться и оставаться включенными на протяжении всей оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток не уменьшится до нуля, так как должен начинать следующий полупериод. Только перед точкой пересечения нуля сигналом переменного тока тиристор отключится (запрется) из-за недостаточного тока (это поведение также называется естественной коммутацией) и должен будет снова отпереться в следующем периоде. Результатом является ток цепи, эквивалентный «обрезанной» синусоиде. Для примера, ниже приведен график отклика симметричного динистора (DIAC) на переменное напряжение, пиковое значение которого превышает напряжение переключения DIAC.

Двунаправленный отклик симметричного динистора (DIAC)

При использовании DIAC предельное напряжение переключения было фиксированной величиной. С SCR тиристором мы контролируем, когда точно устройство отпирается путем переключения управляющего вывода в любой момент времени периода сигнала. Подключив подходящую схему управления к управляющему электроду SCR тиристора, мы можем «обрезать» синусоиду в любой точке, чтобы обеспечить пропорционально времени управление питанием на нагрузке.

Возьмем в качестве примера схему на рисунке ниже. Здесь SCR тиристор помещается в схему для управления питанием нагрузки, потребляемым от источника переменного тока.

Управление питанием переменным током с помощью SCR тиристора

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, самое большее, что мы можем подать на нагрузку, это только одна полуволна во время полупериода переменного тока, когда полярность напряжения питания положительна сверху и отрицательна снизу. Однако для демонстрации базовой идеи управления пропорционально времени эта простая схема подходит лучше, чем схема, управляющая мощностью во время всей волны (для чего потребуется два SCR тиристора).

При отсутствии переключения на управляющем электроде и величине напряжения источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения переключения SCR тиристора SCR тиристор никогда не откроется. Подключение управляющего электрода SCR тиристора к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через управляющий вывод в случае, если SCR тиристор содержит встроенный резистор между управляющим выводом и катодом) позволит запускать SCR тиристор почти сразу в начале каждого положительного полупериода (рисунок ниже).

Управляющий электрод подключен напрямую к аноду через диод; через нагрузку протекает почти целая полуволна тока.

Задержка запуска SCR тиристора

Однако мы можем отложить запуск SCR тиристора, вставив некоторое сопротивление в цепь управляющего электрода, тем самым увеличивая величину падения напряжения, требуемого перед тем, как будет достигнут достаточный ток управляющего электрода SCR тиристора. Другими словами, если мы затрудняем движение электронов через управляющий электрод путем добавления сопротивления, переменное напряжение должно будет достигнуть более высокой точки в своем цикле, прежде чем будет достигнут достаточный ток управляющего вывода, чтобы включить SCR тиристор.

Результат показан на рисунке ниже.

В цепь управляющего электрода вставлено сопротивление; через нагрузку протекает меньше полуволны тока.

Когда сигнал «полусинусоиды» будет в значительной степени обрезан за счет задержки запуска SCR тиристора, нагрузка получит меньшую среднюю мощность (питание подается на меньшее время в течение всего периода). Сделав последовательный резистор в цепи управляющего электрода переменным, мы можем подстроить мощность пропорционально времени (рисунок ниже).

Увеличение сопротивления повышает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит меньшая мощность.
Уменьшение сопротивления понижает уровень порога, в результате чего до нагрузки доходит большая мощность.

К сожалению, эта схема управления имеет значительные ограничения. При использовании сигнала источника переменного тока в качестве сигнала, переключающего наш SCR тиристор, мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем подождать, чтобы переключить SCR тиристор после пика сигнала. Это означает, что мы можем убавить мощность только до того момента, когда SCR тиристор включится на самом пике сигнала.

Схема при установке минимальной мощности

Повышение порога срабатывания переключения приведет к тому, что схема не будет запускаться вообще, так как даже пик переменного напряжения источника питания будет недостаточным для запуска SCR тиристора. В результате питание на нагрузку подаваться не будет.

Гениальное решение этой дилеммы управления обнаруживается при добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора (рисунок ниже).

Добавление в схему фазосдвигающего конденсатора

Меньший сигнал, показанный на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Для иллюстрации фазового сдвига я предполагаю условие максимального управляющего сопротивления, когда SCR не запускается вообще и не подает на нагрузку ток, за исключением того, какой небольшой ток проходит через управляющий резистор и конденсатор. Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0° до 90°, отставая от сигнала переменного тока. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, SCR тиристор отпирается.

При напряжении на конденсаторе, достаточном для периодического запуска SCR тиристора, итоговый сигнал тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже.

Сдвинутый по фазе сигнал переключает SCR тиристор в режим проводимости

Поскольку сигнал на конденсаторе всё еще растет после того, как основной сигнал от источника питания достиг своего пика, становится возможным запустить SCR тиристор на пороговом уровне за этим пиковым значением, тем самым обрезая сигнал тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой. В действительности сигнал напряжения конденсатора немного сложнее, чем показано здесь, его синусоидальная форма искажается каждый раз, когда открывается SCR тиристор. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание, связанное с фазосдвигающей RC цепью; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR тиристоров сложными схемами

SCR тиристоры также могут быть запущены, или «отперты», более сложными схемами. Хотя ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, управление большими промышленными двигателями часто опирается на более сложные схемы запуска. Иногда для соединения схемы запуска с управляющим электродом и катодом SCR тиристора для обеспечения электрической изоляции между цепями запуска и силовыми цепями используются импульсные трансформаторы (рисунок ниже).

Трансформаторная связь сигнала переключения обеспечивает изоляцию

Когда для управления питанием используется несколько SCR тиристоров, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение единой схемы запуска ко всем SCR тиристорам одинаково. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в этом примере выпрямительные SCR тиристоры) должны проводить ток в противоположных парах. SCR₁ и SCR₃ должны быть запущены одновременно, и SCR₂ и SCR₄ должны быть запущены как пара. Однако, как вы заметили, эти пары SCR тиристоров не используют одни и те же соединения катодов, а это означает, что схема не будет работать, если просто запараллелить их управляющие электроды и подключить к ним единый источник напряжения, чтобы запустить оба тиристора (рисунок ниже).

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR₂ и SCR₄ в качестве пары

Хотя показанный источник напряжения запуска запустит SCR₄, он не запустит должным образом SCR₂, потому что эти два тиристора не имеют общего соединения катодов для использования его в качестве опорной точки для напряжения запуска. Однако импульсные трансформаторы, подключающие два управляющих электрода тиристоров к источнику напряжения запуска, будут работать (рисунок ниже).

Трансформаторная связь управляющих электродов позволяет запускать SCR₂ и SCR₄

Имейте в виду, что эта схема показывает подключение управляющих электродов только двух из четырех SCR тиристоров. Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR₁ и SCR₃, а также детали самих импульсных источников были опущены для простоты.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными схемами. В большинстве промышленных систем питание переменным током доступно в трехфазной форме для получения максимальной эффективности, и из-за своих преимуществ в них используются твердотельные схемы управления. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на SCR тиристорах, не показывающая импульсных трансформаторов и схем запуска, будет выглядеть как на рисунке ниже.

Трехфазное мостовое управление нагрузкой на SCR тиристорах

Резюме

• Кремниевый управляемый выпрямитель, или SCR тиристор, по сути, является динистором (диодом Шокли) с дополнительным выводом. Этот дополнительный вывод называется управляющим электродом, и он используется для переключения устройства в режим проводимости (отпирает его) с помощью прикладывания небольшого напряжения. Для запуска, или отпирания, SCR тиристора напряжение должно быть приложено между управляющим электродом и катодом, плюс на управляющий электрод, минус на катод.
• При тестировании SCR тиристора кратковременное соединение между управляющим электродом и анодом достаточно по полярности, интенсивности и продолжительности, чтобы отпереть тиристор. SCR тиристоры могут быть запущены с помощью преднамеренного запуска вывода управляющего электрода, повышенного напряжения (переключения) между анодом и катодом или повышенной скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. SCR тиристоры могут быть выключены (заперты) падением анодного тока ниже значения тока удержания (выключение по низкому току) или «обратным переключением» управляющего электрода (прикладывание отрицательного напряжения к управляющему электроду). Обратное переключение эффективно только иногда и всегда включает в себя высокий ток через управляющий вывод.
• Вариант SCR тиристора, называемый запираемым тиристором (GTO (Gate-Turn-Off) тиристор), специально предназначен для отключения с помощью обратного переключения. Даже в этом случае обратное переключение требует довольно высокого тока: обычно 20% от тока анода. Выводы SCR тиристора могут быть идентифицированы с помощью мультиметра в режиме «прозвонки»: единственные два вывода, показывающие какие-либо показания при «прозвонке», должны быть управляющий электрод и катод. Выводы управляющего электрода и катода подключаются к PN переходу внутри SCR тиристора, поэтому мультиметр в режиме «прозвонки» должен выдавать диодо-подобные показания между двумя этими выводами с красным (+) щупом на управляющем электроде и черным (-) щупом на катоде. Однако имейте в виду, что некоторые мощные SCR тиристоры содержат внутренний резистор, подключенный между управляющим электродом и катодом, что повлияет на любые измерения целостности соединения, проводимые мультиметром.
• SCR тиристоры являются настоящими выпрямителями: они пропускают ток через себя только в одном направлении. Это означает, что они не могут использоваться в одиночку для двухполупериодного управления питанием переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменить на SCR тиристоры, вы получите схему управляемого выпрямителя, где питание постоянным напряжением может подаваться на нагрузку пропорционально времени отпирания SCR тиристоров в разные моменты периода переменного напряжения питания.

Оригинал статьи:

• The Silicon-Controlled Rectifier (SCR)

Теги

SCR / тринистор (кремниевый управляемый выпрямитель)Защита цепейМультиметрОбучениеТиристорТок удержанияЭлектроника

Назад

Оглавление

Вперед

Разработка кольцевого генератора на ИС на тиристоре в программе Cadence

Вы заблудились? Главная >> Cadence, Integrated Circuits

(Последнее обновление: 21 января 2023 г. )

IC Генераторы на основе тиристоров предлагают альтернативу со сверхнизким энергопотреблением для приложений, где точность не важна.

В этом руководстве мы собираемся спроектировать и протестировать с помощью Cadence Virtuoso кольцевой генератор на основе тиристора

с нуля, представляя схематические диаграммы и графики моделирования.

Содержание

8

8888888888

88888878

888888878

Начнем с самого начала

Что такое тиристор?

Тиристор представляет собой устройство с 3 выводами Drain, Source и Gate.

Функциональность аналогична транзисторам , но с той разницей, что при срабатывании при высоком напряжении на затворе он остается включенным. Тиристор теоретически должен оставаться включенным вечно , но… из-за токов утечки, по прошествии некоторого времени он переворачивается и выключается. Это свойство используется в данном случае в нашу пользу.

Мы можем рассматривать тиристор как односторонний транзистор

Тиристор

Кольцо тиристоров

Тиристорный кольцевой генератор работает идентично кольцевому генератору на основе инвертора.

Каскадное нечетное количество инверторов, соединенных в замкнутый контур

Для этого кольца мы будем использовать минимум 3 элемента.

Задержка каждого тиристорного инвертора зависит от тока утечки КМОП-транзистора, который медленно разряжает узел, пока не будет достигнуто пороговое напряжение и он не повернется. Поэтому время задержки намного меньше, чем у обычного инвертора CMOS.

Следовательно, кольцевые генераторы генерируют часы в диапазоне МГц, а генераторы на тиристорах работают в диапазоне Гц.

Еще одним преимуществом является очень-очень низкое энергопотребление . Для загрузки узлов требуется лишь минимальное количество тока во время перехода. Статическое потребление равно нулю.

Основным недостатком является тот факт, что задержка пропорциональна току утечки, который неизвестен и обычно не моделируется должным образом. Кроме того, он сильно зависит от параметров процесса и колебаний температуры

Любопытно, что кольцевые генераторы впервые были представлены в 1995 в журнале Solid-State Circuit Journal. [1]

Схематическая диаграмма

Схема этих медленных часов представлена ​​на рисунке ниже: начало . Одной из проблем кольцевых генераторов является обеспечение первого цикла колебаний и избежание метастабильности. Позже он колеблется сам и навсегда.

В реальной жизни искусственная кремниевая интегральная схема с кольцом настолько редка, что остается в метастабильном положении. Из-за примесей и того, что все транзисторы не на 100% идентичны, генератор естественно будет спровоцирован.

В симуляции транзисторы идентичны, с точно таким же идеальным поведением. Это вызывает метастабильность в симуляциях. Но в конструкции микросхемы нам не нужны неопределенности или, по крайней мере, минимальные из них.

КМОП-тиристор

Для тиристоров можно использовать несколько структур КМОП. Структура, выбранная для этого примера, представляет собой КМОП-тиристор с нижними транзисторами из-за потребляемой мощности [2].

Выходной каскад

Это типичная инверторная цепочка на выходе для уменьшения времени нарастания и обеспечения возможности подачи большей мощности на выход. Этот этап должен быть разработан для каждого приложения.

Моделирование

Испытательный стенд довольно простой и его можно увидеть на следующем рисунке:

После анализа переходных процессов его можно увидеть на волновой диаграмме с колебаниями.

Среднее потребление тока часами составляет всего 1,9 нА для частоты 43 Гц. FoM генератора (I/частота) составляет 0,044 нА/Гц.

Функциональность цепи запуска можно увидеть на следующей волновой диаграмме:

Выходной сигнал и внутренние сигналы отображаются на следующей диаграмме имитации:

Регулировка частоты

Это только пример, частота должна быть изменена для каждого применения.

Оба размера конденсатора определяют емкость узла и, следовательно, количество энергии, которое должно быть отведено через утечку. Следовательно, он изменяется обратно пропорционально частоте.

Больше емкости — > медленнее часы — > меньше частота

При моделировании параметров это становится проще. Параметр множителя варьируется для значений 1, 2, 5, 10, 20 и 50.

Результаты могут быть разными:

Таким образом, ток утечки пропорционален частоте.

Больше ток утечки — > больше частота

Компоновка

Компоновка крайне важна для таких схем, которые основаны на таких малых емкостях. 9Паразитные конденсаторы 0009 дорожек и переходных отверстий изменили бы поведение схемы.

Поэтому важно провести моделирование после макета до его изготовления. Кроме того, в этих хрупких цепях важны повороты и моделирование методом Монте-Карло.

Источники

[1]: Гюдонг Ким, Мин-Кью Ким, Бён-Су Чанг и Вончан Ким, «Низковольтный маломощный элемент задержки CMOS», в IEEE Journal of Solid-State Circuits, vol. 31, нет. 7, стр. 966-971, июль 1996 г., doi: 10.1109/4.508210.

[2]: (выдержка) Генератор на тиристоре. Выдержка из моей диссертации с анализом методом Монте-Карло выбора типа тиристора.

[3]: А. К. Махато, «Сверхнизкочастотный КМОП-кольцевой генератор», 2014 г. Последние достижения в области инженерных и вычислительных наук (RAECS), 2014 г., стр. 1-5, doi: 10.1109/RAECS.2014.6799627.

Об Альберто Л.

Здравствуйте, я Альберто, инженер-электроник и промышленник, живу и учусь в Австрии. Меня интересует все, что связано с электроникой, схемотехникой, робототехникой и мейкер-миром. Больше обо мне.

Оставайтесь на связи

Будьте в курсе моих последних сообщений, трюков и руководств. Без спама. Я обещаю

Взаимодействие с читателями

Вы заблудились? Главная >> Cadence, интегральные схемы

Как работает тиристор?

— Реклама —

Прежде чем углубляться в работу тиристора, давайте разберемся, зачем он нужен, когда у нас уже есть крошечный компонент под названием транзистор, который может помочь нам в переключении и усилении.

Хотя транзистор может выполнять переключение, он плохо справляется с большими токами. Другая проблема с транзистором заключается в том, что он выключается, когда мы снимаем ток переключения.

Когда мы хотим запустить триггер и снять ток переключения, нам нужно другое устройство, потому что здесь транзистор выходит из строя. Для решения обеих вышеперечисленных проблем требуется тиристор. Помимо обработки большого количества тока, он также может работать непрерывно, даже если ток переключения удален.

— Реклама —

Тиристор представляет собой четырехслойный твердотельный полупроводниковый прибор, содержащий 3 последовательно соединенных PN-перехода, имеющих 3 вывода, называемых анодом, катодом и затвором. Как и диод, тиристор также является однонаправленным устройством, но, в отличие от диода, его можно использовать в качестве переключателя разомкнутой цепи.

Принцип работы тиристора

В тиристоре кремниевая пластина легирована четырьмя чередующимися P- и N-типами, что выглядит как два транзистора, соединенных встречно-параллельно (как показано на рисунке ниже).

Здесь P (катод) и N (анод) соединены последовательно, таким образом, мы получаем три клеммы: анод, затвор и катод.

Когда мы смещаем в прямом направлении анод и катод, то есть анод и катод, подключенные к положительной и отрицательной клеммам батареи, первый и последний PN-переход (j1 и j3) смещаются в прямом направлении из-за разрыва обедненного слоя. Переход j2 остается смещенным в обратном направлении, поскольку на затвор не подается ток.

Когда мы подаем ток на затвор, переходный слой j2 начинает разрываться и в цепи начинает течь ток. Когда на клемму затвора подается достаточный положительный сигнальный ток или импульс, он переводит тиристор в проводящее состояние.

Тиристор может быть только полностью включенным или выключенным, что означает, что он не может находиться между состояниями «Включено» и «Выключено», подобно транзисторам. Это делает тиристор непригодным в качестве аналогового усилителя, но полезным в качестве переключающего устройства.

Три режима работы:

Режим прямой блокировки

Соединения j1 и j3 находятся в прямом рабочем состоянии, в то время как j2 находится в состоянии обратного смещения и не пропускает ток.

Режим прямой проводимости

Здесь к клемме затвора прикладывается положительное напряжение, что приводит к разрушению обедненной области j2. Из-за этого в цепи начинает протекать ток, что приводит к включению режима.

No related posts.