Схема защитного устройства от перенапряжений

Рис. 36. Схема тринисторного электронного предохранителя

В случае короткого замыкания или другой какой-либо неисправности в це­пи нагрузки, когда ток I'в возрастет настолько, что падение напряжения на R2 станет I/нR2>Uу.НОт, тринистор откроется. Напряжение на катушке реле сни­зится до значения U0c<2 В, и реле выключится. Контакты реле K1.1 разомк­нутся, нагрузка и тринистор отключатся от источника питания. После устране­ния неисправности повторное включение нагрузки осуществляется нажатием кнопки S1.

Порог срабатывания устройства можно регулировать резистором Rz. Тип реле и сопротивление резистора Ri выбираются в зависимости от напряжения источника питания и номинального тока катушки реле. Кроме того, сопротивле­ние резистора R1 должно удовлетворять условию UПИТ/R1<I0с, где Iос — на­ибольший прямой постоянный ток тринистора VS1.

Устройство, схема которого показана на рис 35, может быть использовано в относительно низковольтных цепях для защиты нагрузки от перенапряжений. Защитное устройство включается между нагрузкой и источником постоянного напряжения. При номинальном значении напряжения на нагрузке UН, которое должно быть меньше напряжения стабилизации Uст 2 стабилитрона VD2, т. е. UH<UCT2, тринистор VS1, закрыт, а транзистор VT1 открыт и находится в режиме насыщения (необходимый ток базы устанавливается резистором Ri). При возрастании напряжения на нагрузке до значения U'B, вызывающего пробой стабилитрона (U'н>Uст 2), тринистор открывается, напряжение на базе транзистора VT1 резко уменьшается, транзистор закрывается и, таким образом, цепь нагрузки отключается от источника питания. После устранения неисправ­ности для повторного включения нагрузки необходимо закрыть тринистор, т. е. кратковременно нажать кнопку S1. Чтобы тринистор VS1 оставался в открытом состоянии после срабатывания устройства, его прямой ток, определяемый соп­ротивлением резистора R1, должен быть Iпр = UПит/R1>Iуд. Ток стабилитрона VD2 и сопротивление резистора R3 должны обеспечивать выполнение условий (11).

На рис. 36 приведена схема выключателя на тринисторах, который с помо­щью кнопок включает и отключает питание нагрузки и, кроме того, защищает цепь нагрузки от чрезмерного возрастания в ней тока. Основу защитного уст­ройства составляет двухтринисторный выключатель с коммутирующим конден­сатором, работа которого была рассмотрена выше. Оба тринистора управляют­ся кнопками, а кроме того, на управляющий электрод тринистора VS2 поступа­ет сигнал аварийного отключения, формируемый в самом устройстве (в катод­ной цепи тринистора VS1).

После подачи напряжения питания Uпит оба тринистора остаются закры­тыми, а нагрузка Rн, включенная в анодную цепь тринистора VSi, остается обесточенной. Нагрузка подключается к источнику питания при открывании тринистора VS1, что осуществляется кратковременным нажатием кнопки S1. При открытом тринисторе VS1 коммутирующий конденсатор C1 заря­жается примерно до напряжения источника питания (полярность напряжения на конденсаторе обозначена на схеме). В катодную цепь тринистора VS1 вклю­чен безындукционный резистор R1, через который проходит весь ток нагрузки. Сопротивление резистора Ri выбирается таким, чтобы при максимальном токе нагрузки Iн mах падение напряжения на нем было меньше напряжения пробоя стабилитрона VD2, т. е. Iн mахR1<Uст 2. Если теперь в цепи нагрузки по каким-либо причинам недопустимо увеличится ток до некоторого значения I'н (напри­мер, произойдет короткое замыкание), то напряжение на Ri скачкообразно воз­растет. Как только оно станет равным I'нR1>Ucт 2, произойдет пробой стаби­литрона VD2 и тринистор VS2 откроется. Одновременно напряжением коммути­рующего конденсатора С4 закроется тринистор VSi и нагрузка отключится от источника питания. Сопротивление резистора Ri выбирается из условия (20), и поэтому после разряда конденсатора Ci тринистср VS2 также закроется. Пов­торное включение нагрузки осуществляется кнопкой Si. (При некотором услож­нении схемы можно создать устройство, которое автоматически повторно вклю­чает нагрузку после срабатывания защиты [5]).



Диод VD1 предотвращает попадание отрицательного всплеска напряжения на управляющий электрод тринистора VS2 в момент выключения тринистора VS1. Кнопка S2 служит для отключения нагрузки от источника питания.

Следует отметить, что для правильной работы защитного устройства три-нистор VS1 до момента аварийного отключения должен быть открытым такое время, чтобы коммутирующий конденсатор C1 успел зарядиться до напряжения, обеспечивающего выключение этого тринистора. Если это требование не вы­полняется, то выключить тринистор VS1 будет невозможно и устройство за­щитные функции выполнять не будет.

Прямое напряжение тринисторов VS1 и VS2 должно соответствовать усло­вию (2), а постоянный ток прибора VS1 должен соответствовать условию (5), прибор VS1 должен допускать кратковременный ток IОс.п>I'н. Обратное на­пряжение тринистора VS1 должно быть Uобр>UПит, а для прибора VS2 мо­жет не нормироваться. Сопротивление ограничивающего резистора R3 вычисля­ется по формуле (8), а емкость коммутирующего конденсатора d — по форму­ле (18). Порог срабатывания защитного устройства устанавливается выбором соответствующего типа стабилитрона VD2 и сопротивления резистора R,.

Время срабатывания такого электронного предохранителя, как и преды--Дущих защитных устройств, не превышает несколько десятков микросекунд, что более чем в 1000 раз меньше времени срабатывания обычного плавного предохранителя. Кроме того, элементы рассмотренных защитных устройств в противоположность плавким предохранителям не требуют замены после аварий­ного отключения.

Кроме защиты цепей от перенапряжений и токовых перегрузок, на основе тринисторов можно создавать различные защитные устройства иного назначе­ния. Рассмотрим несколько таких схем.

Как известно, аккумуляторы в процессе эксплуатации не должны разря-.жаться ниже некоторого напряжения. Защитное устройство с тринисторамн (рис. 37) автоматически отключает нагрузку при уменьшении напряжения ба­тарей аккумулятора GBi до некоторого допустимого уровня.



В исходном состоянии тринисторы VS1 и VS2 закрыты и нагрузка RН от­ключена от батареи (контакты кнопки S1 нормально замкнуты, a S2 — разомк­нуты). Нагрузка подключается к батарее GBl при кратковременном нажатии «кнопки S2, которая открывает тринистор VS1, и коммутирующий конденсатор С, заряжается до напряжения, действующего на нагрузке. Конденсатор С2 заряжается до напряжения, значение которого устанавливается переменным (Резистором R6. Это напряжение стабилизируется стабилитроном VD{ и явля­ется напряжением на эмиттере однопереходного транзистора VT,.

В процессе работы напряжение батарей аккумулятора GBt падает. Соот­ветственно уменьшается и напряжение Um Б, между базами однопереходного транзистора VT1, в то же время напряжение на его эмиттере остается неиз­менным. При некотором минимально допустимом напряжении батареи (которое определяется заранее установленным напряжением на конденсаторе С2) откры­вается однопереходный транзистор и конденсатор С2 разряжается через пере­ход эмиттер — база 1 и первичную обмотку трансформатора Ть Тринистор VS2 открывается, коммутирующий конденсатор С1 подключается параллельно тринистору VS1 и закрывает его, что приводит к отключению нагрузки от ба­тареи. Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы обеспечивалось ус­ловие (6), поэтому после выключения прибора VSi тринистор VS2 также за­крывается. Кнопка S1 позволяет вручную отключить нагрузку от аккумулятора.

Тринистор VS1 по току выбирается согласно требованиям (5) и должен иметь допустимое обратное напряжение не менее чем напряжение батареи ак­кумуляторов. Емкость конденсатора С1 рассчитывается по формуле (18), а сопротивление резистора R2 — по формуле (8).



Рис. 37. Схема автоматического защитного устройства для аккумуляторных батарей.

Устройство, схема которого изображена на рис. 38, предназначено для защиты двигателя постоянного тока от перегрузок. Защитное устройство от­ключает двигатель в случае возрастания потребляемого им тока при повыше­нии напряжения сети или недопустимого увеличения нагрузки на вал двига­теля.



Двигатель М1 и защитное устройство питаются от выпрямителя, собранно­го по мостовой схеме (диоды VD1 — VD4). Соединенные последовательно дви­гатель M1, тринистор VS1 и резистор R1 с сопротивлением несколько ом вклю­чены непосредственно в диагональ моста и питаются пульсирующим током. Маломощный тринистор VS2 предназначен для выключения тринистора VS] Анодная цепь тринистора VS2 и цепь управления тринистора VSi подключены к выходу Г-образного фильтра (R3, С2).



Рис. 38. Схема защиты двигателя от перегрузок

После замыкания выключателя Q1 на управляющий электрод тринистора VS1 через резисторы R4, R5 и диод VD5 подается положительное напряжение, тринистор VS1 открывается и включает двигатель. Ток, потребляемый двига­телем, протекает через резистор RI, и, следовательно, падение напряжения на R! пропорционально этому току. Стабилитрон VD$ выбирается таким, чтобы при номинальном токе двигателя напряжение uRl, снимаемое с резистора Ri, было меньше напряжения стабилизации uR1<Uст6, и тринистор VS2 остается закрытым. Если по каким-либо причинам ток двигателя возрастет настолько, что подаваемое на стабилитрон напряжение и'R1 окажется больше напряже­ния стабилизации: u'R1>UСтб, то тринистор VS2 откроется и закоротит цепь управления тринистора KS,, который в конце очередного полупериода анодного напряжения закроется. Цепь питания двигателя разрывается, и он отключается. Сопротивление резистора R4 выбирается из условия (3), так что тринистор VS2 остается в проводящем состоянии.

Для повторного включения двигателя следует нажать кнопку S1, контак­ты которой замыкают накоротко выводы анод — катод тринистора VS2, и он закрывается, а тринистор VS: вновь открывается, восстанавливая цепь пита­ния двигателя. Порог срабатывания устройства может регулироваться перемен­ным резистором Ri. Резистор R2 и конденсатор С1 образуют интегрирующую цепочку, которая препятствует срабатыванию защиты при пуске двигателя, ког­да в его цепи проходит большой пусковой ток.


Постоянная времени этой цепи должна быть около 0,5... 0,8 с, что имеет место при R2=15... 20 кОм C1 = = 25 ... 50 мкФ.

Стабилитрон VD6 выбирается согласно условиям (11). Тринистор по току и напряжению подбирается соответственно мощности двигателя. Тринистор VS2 маломощный. Оба тринистора могут быть без нормированного обратного напряжения, но должны иметь напряжение в закрытом состоянии не менее амплитудного значения напряжения сети питания.

Тринисторное защитное устройство в выпрямителе, предназначенном для зарядки аккумуляторных батарей (рис. 39), автоматически отключает аккуму­лятор, когда последний полностью зарядится. Это защитное устройство работа­ет аналогично предыдущему. Двухполупериодный зарядный выпрямитель вы­полнен на понижающем трансформаторе Т1 и диодах VD1 и VD2. На выходе выпрямителя включены последовательно тринистор VS1, амперметр РА1 и за­ряжаемый аккумулятор GB1. Током тринистора VS1, который открыт в течение всего периода переменного напряжения, заряжается аккумулятор.



Рис. 39. Схема зарядного выпрямителя с тринисторной защитой

Управляющее напряжение на тринистор VS2 снимается с делителя на­пряжения R4, R5, подключенного параллельно аккумулятору. Его уровень uR5 устанавливается переменным резистором R$ в зависимости от типа используе­мого стабилитрона VD$ таким, чтобы стабилитрон включался, ког­да аккумулятор полностью зарядится. При пробое стабилитро­на открывается тринистор VS2, а тринистор VSi закрывается и за­рядка аккумулятора прекращается. Для этого сопротивление резистора R? должно обеспечивать выполнение условия (3). Напряжение пробоя стабилитро­на VD4 должно быть меньше номинального напряжения аккумулятора и отве­чать требованию (11).

Тепловой защитный выключатель (рис. 40) может использоваться в уста­новках, содержащих нагревательные элементы (термостаты, печи и т. д.), в которых всегда существует аварийная опасность перегрева. В защитном уст­ройстве используется выключатель переменного тока (рис. 25,а).



Нагревательный элемент EKi включен в сеть переменного тока последова­тельно с выпрямительным мостом VD2 — VD5. Тринистор VS2 выключателя уп­ равляется маломощным вспомогательным тринистором VS1. Диод VD1 и кон­денсатор Ci образуют однополупериодный выпрямитель, служащий для пита­ния анодной цепи тринистора VS1 и цепи управления тринистора VS2.

В исходном (выключенном) состоянии устройства контакты кнопки Sj ра­зомкнуты, а контакты электротеплового реле КК1 замкнуты. Тринисторы VS1 и VS2 закрыты, и ток через нагревательный элемент не проходит. Для включе­ния нагревателя необходимо кратковременно нажать кнопку Si; при этом через цепи управляющих электродов обоих тринисторов пойдет ток и приборы от­кроются. Сопротивление резистора RI выбирается из условия (3); поэтому пос­ле размыкания контактов кнопки Si тринистор VSi останется в открытом со­стоянии. Постоянный анодный ток тринистора VSi проходит через цепь управ ляющего электрода прибора VS2, который, таким образом, поддерживается в открытом состоянии в течение каждого положительного полупериода напря­жения на его аноде. Когда тринистор VS2 открыт, то к подогревательному эле­менту прикладывается практически все напряжение сети и через него протека­ет номинальный ток.



Рис. 40. Схема теплового защитного выключателя

Предположим теперь, что вследствие какой-либо неисправности в системе терморегулирования (на схеме не показана) температура подогревательного элемента достигла критического значения, на которое было отрегулировано реле КК1. Контакты этого реле разомкнутся и разорвут анодную цепь трини­стора VS1 и цепь управления тринистора VS2. Анодный ток тринистора VS1 (а следовательно, и управляющий ток прибора VS2) станет равным нулю, и тринистор VS2 в конце очередного положительного полупериода анодного на­пряжения выключится. Ток через подогревательный элемент прекратится. Че­рез некоторое время по мере остывания подогревателя контакты реле КК1 вновь замкнутся, однако оба тринистора останутся закрытыми и ток в нагруз­ке проходить не будет.


Для повторного включения нагревателя необходимо вновь нажать кнопку S1, Лампа HL1 горит при нормальной работе подогрева­теля и гаснет при срабатывании теплового выключателя, сигнализируя о не­исправности в системе терморегулирования.

Тринистор FS2 и диоды моста VD2 — VD5 должны быть рассчитаны на про­пускание максимального тока используемого подогревательного элемента (см. выбор элементов выключателя рис. 25,а). Тринистор VSi маломощный, его прямой ток может не превышать значение Iу.0т тринистора VS2, в то же время допустимое прямое напряжение прибора VS1 должно быть, как и у тринисторз VS2, т. е. не менее амплитудного значения напряжения питающей сети. Сум­марное сопротивление резисторов RI и R2 должно удовлетворять требованию (8). Кроме того, резистор R1 ограничивает анодный ток тринистора VSi (а сле­довательно, и ток управления тринистора VS2) до безопасного для приборов значения. Напряжение на конденсаторе С1 примерно равно амплитудному зна­чению напряжения сети.

17. Устройства сигнализации и контроля

Тринисторы находят широкое применение в разнообразных сигналь­ных и контрольных устройствах. В зависимости от используемых датчиков ус­тройства могут срабатывать от электрических сигналов, механических воздей­ствий, а также от действия света, звука, температуры, давления и т. д.

Сигнальное устройство, схема которого приведена на рис. 41, служит дли контроля напряжения аккумулятора (батареи). Индикаторная лампа заго­рается, когда контролируемое напряжение снижается до некоторого уровня, при котором необходима замена или зарядка аккумулятора.

Контролируемое напряжение подается на тринистор VS1, в анодную цепь которого включена индикаторная лампа HL1. Тринистор управляется релакса­ционным генератором на однопереходном транзисторе VT1 (см. § 8). Напряже­ние на эмиттере однопереходного тран­зистора стабилизировано стабилитроном VD1, а междубазовое напряжение мо­жет регулироваться потенциометром R4 и устанавливается таким, чтобы при но­минальном напряжении аккумулятора однопереходный транзистор оставался закрытым, т.


е. переход эмиттер — база 1 транзистора был включен в обратном направлении. При этом тринистор VSi также будет закрыт.



Рис. 41. Схема устройства для кон­троля напряжения аккумулятора (батареи)



Рис. 42. Схема сигнали­затора телефонных звон­ков

По мере разряда аккумулятора его напряжение уменьшается, снижается также и междубазовое напряжение однопереходного транзистора, в то же вре­мя стабилизированное напряжение на его эмиттере (напряжение на конденса­торе С1) сохраняется постоянным. Наконец, при некотором напряжении акку­мулятора междубазовое напряжение уменьшается настолько, что переход эмит­тер — база 1 однопереходного транзистора оказывается включенным в прямом направлении; при этом транзистор открывается и включает тринистор, соответ­ственно загорается индикаторная лампа. Пороговый уровень напряжения, при котором срабатывает сигнальное устройство, устанавливается потенциомет­ром R4.

Сигнальное устройство не должно заметно нагружать аккумулятор (бата­рею) ; поэтому в нем следует использовать тринистор, имеющий малый ток в закрытом состоянии (типа КУ101), и слаботочный стабилитрон (например, ти­пов Д808, Д814А), а сопротивление резистора R4 должно быть несколько де­сятков килоом.

Устройство, схема которого приведена на рис. 42, выполняет функции теле­фонного сигнализатора и подает световой сигнал при каждом телефонном звон­ке. Индикаторная лампа HLi загорается от первого звонка и в зависимости от выбранного режима работы горит либо только в течение действия звонка, либо загорается и остается включенной после вызова, тем самым давая знать або-нету, что кто-то звонил, когда никого не было дома.

Особенность сигнализатора состоит в том, что он не имеет непосредствен­ной связи с телефонной линией и управляется электромагнитным полем, воз­никающим при работе телефонного звонка. Когда включается телефонный зво­нок, в катушке связи L1, расположенной непосредственно у звонка, индуциру­ется переменный ток.


Этот сигнал усиливается транзистором VT1, включенным по схеме с общей базой, нагрузкой которого является цепь управляющего электрода тринистора VS1. Если при воздействии сигнала амплитуда коллектор­ного тока транзистора превысит значение отпирающего тока управления три­нистора VS1, то последний открывается и загорается индикаторная неоновая лампа HL1, которая включена в его анодную цепь. Следует заметить, что ток локоя транзистора УТ{ должен быть меньше неотпирающего тока управления тринистора VSi.



Рис. 43. Схема сигнального охранного устройства

На анод тринистора в зависимо­сти от положения переключателя S2 подается или положительная полу­волна напряжения сети, или постоян­ное напряжение. Когда переключа­тель S2 находится в положении 1, анодная цепь тринистора через диод VDi подключается непосредственно к сети переменного тока. При этом три­нистор, а следовательно, и лампа HLi выключаются, как только исчез­нет сигнал на управляющем электро­де, т. е. перестанет звонить телефон. Переключатель S2 в положении 2 подклю­чает тринистор к источнику постоянного напряжения. Сопротивление резистора Rz выбирается таким, чтобы ток горения лампы HLi был больше удерживающего тока тринистора. Если такой ток для лампы недопустим, то следует подключить шунтирующий резистор Rs. Таким образом, тринистор и лампа останутся вклю­ченными после исчезновения сигнала на управляющем электроде (т. е. после окончания звонка) до тех пор, пока не будет нажата кнопка St.

Диод VD2 и конденсатор С3 образуют однополупериодный выпрямитель. С делителя R4R5, включенного на выходе выпрямителя, снимается напряжение для питания транзистора V7Y Диод VDi устраняет возможность подачи отри­цательного напряжения на анод тринистора, когда на управляющем электроде действует положительный отпирающий сигнал (во время телефонного звонка).

Рассмотрим несколько схем сигнальных устройств, выполняющих сторо­жевые функции.

Простое сигнальное устройство (рис. 43) может быть использовано для охраны участков территории, зданий, квартиры и других объектов.


Охранный шлейф, представляющий собой тонкий медный провод (диаметром 0,3... 0,5 мм), незаметно прокладывается вокруг охраняемого участка, здания или дру­гого объекта, а в квартире — в тех местах (у закрытых окон, дверей и т. д.), где он будет оборван в случае проникновения постороннего лица внутрь по­мещения. К сигнальному устройству шлейф Rшл подключается к точкам 1 и 2, Напряжение питания на устройство подается после замыкания выключателя Q1. При поданном напряжении питания, если шлейф цел, выводы эмиттер — база транзистора VTt замкнуты накоротко проводом шлейфа RШл и транзистор закрыт. Тринистор VS1 также закрыт, а сигнальная лампа HL1 погашена. В момент обрыва провода шлейфа транзистор VT1 открывается. Его коллектор­ный ток протекает через цепь управления тринистора VS1 и открывает его. Лампа HL1 загорается, сигнализируя о нарушении целостности охранного шлейфа.



Рис. 44. Схема сигналь­ного охранного устрой­ства с однопереходным транзистором

Кнопка S1 имитирует обрыв шлейфа и используется для проверки его це­лостности. Резистор R1 ограничивает коллекторный ток транзистора до зна­чения отпирающего тока управления тринистора VS1, его сопротивление рас­считывается по формуле (8). Ток покоя транзистора VT, должен быть меньше неотпирающего тока управления тринистора, а коллекторный ток в режиме на­сыщения превышать значение отпирающего тока управления. Вместо индикатор­ной лампы можно использовать прибор звуковой сигнализации или маломощное реле, которое, в свою очередь, включит прибор звуковой (световой) сигнализации.

Второе сигнальное охранное устройство (рис. 44) построено с использова­нием однопереходного транзистора. Это устройство, как и предыдущее, сраба­тывает при нарушении целостности охранного шлейфа Rшл (защитной цепи), который подсоединяется к точкам 1 и 2. Тринистор VS{ отпирается импульса­ми, вырабатываемыми релаксационным генератором на однопереходном тран­зисторе (см. § 8). Защитная цепь, пока она цела, накоротко замыкает обклад­ки конденсатора С2, и напряжение на эмиттере однопереходного транзистора VT1 равно нулю — транзистор VT1 и тринистор VS1 закрыты.


В случае разры­ ва защитной цепи напряжение на C2 возрастает, транзистор УТ{ отпирается, при этом положительным импульсом, снимаемым с резистора R3, открывается тринистор VS1, который включает звуковой НА1 (или световой) сигнал трево­ги. Анодный ток тринистора VSi должен быть больше удерживающего тока (при необходимости устанавливается резистор Л?4), и поэтому выключить сиг­нал можно только при размыкании выключателя Q! в цепи питания. Ток, по­требляемый устройством в дежурном режиме, определяется сопротивлением резистора R1 и токами тринистора и однопереходного транзистора в закрытом состоянии.

Очевидно, что напряжение питания в таком сигнализаторе, как и в преды­дущем, может быть включено только при полностью замкнутой защитной цепи.



Рис. 45. Схема сигнального устройства «квартирный сторож»

Сигнальное устройство (рис. 45) выполняет функции электронного «квар­тирного сторожа». Датчики, которыми могут служить концевые выключатели (малогабаритные кнопки KM1-I или микропереключатели типа МП), тонкие медные проводники или полоски фольги, устанавливаются на оконных рамах и наружной двери квартиры. Полоски фольги (или тонкую медную проволоку) приклеивают на оконные стекла и подсоединяют к клеммам концевых выклю­чателей, устанавливаемых на оконных рамах. Все датчики соединяются после­довательно, образуя защитную цепь (охранный шлейф). При закрытых окнах и двери электрическая цепь, образованная датчиками, должна быть замкнута. Обрыв защитной цепи включает сигнал тревоги. Цепь датчиков кроме конце­вого выключателя S1, устанавливаемого на наружной двери, подключается к точкам 1 и 2 устройства, а выключатель Si — к точкам 2 и 3.

Напряжение питания на сигнализатор включается при замыкании кон­тактов Q1. Если вся защитная цепь (вместе с выключателем S1) замкнута, то после подачи питания откроется транзистор VT1. Ток, проходящий по цепи: плюсовой зажим источника, замкнутые контакты выключателя Qb резистор R5. защитная цепь, база — эмиттер транзистора VT1, минусовой зажим источника, поддерживает транзистор VT1 в насыщенном состоянии.


Необходимый ток базы транзистора устанавливается подбором сопротивления резистора R5. Коллектор­ное напряжение насыщенного транзистора близко к нулю, и тринистор VS1 ос­тается закрытым.

Любое нарушение целостности электрической цепи защитного контура (на­пример, вследствие открывания наружной двери или оконных рам, обрыва полосок фольги на оконных стеклах, если они разбиты и пр.) разрывает цепь питания базы транзистора VT1. Транзистор переходит в режим отсечки, на­пряжение на его коллекторе, а значит, и на конденсаторе С2 возрастает, и, когда это напряжение становится достаточным для отпирания тринистора У5Ь последний открывается, включая сигнал тревоги (звонок, сирену ЯЛ]). Анодный ток тринистора VSi должен быть больше удерживающего тока (при необходи­мости в анодную цепь включается шунтирующий резистор R2), и, таким обра­зом, звуковой сигнал подается до тех пор, пока не будет отключен источник питания.

Тринистор VS2 играет вспомогательную роль и делает устройство более удобным для использования. Без этого тринистора невозможно было бы вый-,ти из квартиры при включенном сигнальном устройстве, не вызвав его срабаты­вания. Действительно, перед тем как покинуть квартиру, ее владелец включа­ет сигнализатор. Затем, чтобы выйти из квартиры, должна быть открыта вход­ная дверь. Однако при этом разомкнется концевой выключатель S1 двери и включится звуковой сигнал. Некоторое усложнение схемы устраняет этот не­достаток. Параллельно выключателю S1 подсоединен тринистор VS2. Если вы­ключатель Si разомкнут (выходная дверь открыта), то при замыкании выклю­чателя Qi импульсом тока, заряжающего конденсатор С3, тринистор VS2 от­крывается. Сопротивление резистора R5, определяющее значение анодного тока тринистора VS2, должно быть таким, чтобы выполнялось условие (3), т. е. после открывания тринистор VS2 должен оставаться в проводящем состоянии и поддерживать транзистор VT1 в режиме насыщения. После окончания заряда конденсатора С3 ток управляющего электрода тринистора VS2, определяемый напряжением источника питания и сопротивлением резистора R6, должен быть меньше значения неотпирающего тока управления, т.


е. Uпит/Rб<Iу.нот. При закрывании наружной двери тринистор VS2 шунтируется контактами концевого выключателя St и закрывается, однако при этом транзистор VT1 по-прежнему остается в насыщенном состоянии. Таким образом, при открытой входной двери квартиры можно включить напряжение питания устройства и звуковой сигнал тревоги подаваться не будет. Важно отметить, что при повторном открывании двери звуковой сигнал включится, так как тринистор VS2 не может вновь от­крыться, поскольку конденсатор Сз все время остается заряженным до напряжения Uс3, определяемого сопротивлением резисторов R6 и R7, т. е. Uсз=UпитRб/(Rб +R7). Соотношение между R6 и R7 выбирается R6/R7>100, так что Uсз=UПИТ.

Батарея GB1, ЭДС которой равна выходному напряжению выпрямителя, ставится на выходе последнего для того, чтобы устройство оставалось дейст­вующим, даже если не будет напряжения в сети переменного тока. Сигнализа­тор удобно питать постоянным напряжением 6... 12 В.

Возможен также вариант «тихого сторожа», в этом случае исполнительный элемент звуковой (световой) сигнализации устанавливается не в квартире, а в ином месте.

В заключение параграфа остановимся на двух сигнальных устройствах, предназначенных для использования в автомобиле. На рис. 46 элементы сигна­лизаторов, добавляемых в схему электрооборудования автомобиля, выделены штриховой линией.

Сигнализатор (рис. 46,о) предупреждает водителя автомобиля в случае, если он, покидая машину, забыл выключить габаритный свет. Схема содержит тринистор VS1, в анодную цепь которого включен источник звукового сигнала НА1 (зуммер, вибратор, реле и т. д.), два резистора RI и R2 и выключатель Si. Сигнальное устройство подсоединяется к цепи электрооборудования автомобиля тремя проводами. Управляющее напряжение на тринистор VS1 подается через выключатель габаритного освещения S3, катодная цепь тринистора подсоединя­ется к плюсовому выводу дверного выключателя S2 освещения салона, анод­ная цепь — к плюсовому проводу аккумулятора.


Выключатель S1 включает на­пряжение питания на сигнализатор.



Рис. 46. Сигнальные устройства для автомобиля:

а — схема устройства, сигнализирующего о невыключенном габаритном свете; б — схема «электронного сторожа» (EL1 — лампа освещения салона, S2 — дверной выключатель осве­щения салона, 8з — выключатель габаритного освещения, НА1 — источник звукового сиг­нала)

При поданном напряжении питания тринистор VS1 откроется и включит звуковой сигнал только в том случае, если одновременно оказываются замк­нутыми выключатели S2 и S3, т. е. если открыть дверь кузова при зажженых габаритных огнях. Когда дверь закрыта, концевой выключатель S2 разомкнут, поэтому питание на сигнализатор не подается, хотя габаритный свет можег быть включен. Тринистор также остается в закрытом состоянии, если открыть дверь при выключенных лампах габаритного света (разомкнутом выключате­ле 53).

Второе сигнальное устройство (рис. 46,5) выполняет функции «сторожа» автомобиля, включая звуковой сигнал при попытке постороннего лица открыть дверь салона. Как и в предыдущем сигнализаторе, в качестве датчика исполь­зуется дверной выключатель S2 освещения салона. Анодная цепь тринистора VSi подсоединяется к катушке электромагнита звукового сигнала ( к тому зажиму, от которого идет провод к кнопке на рулевой колонке автомобиля). Управляется тринистор коллекторным током транзистора VT1, база которого через резистор R1 и диод VD1 подсоединяется к плюсовому зажиму дверного выключателя S2. Выключатель Si устанавливается снаружи кузова, и его мес­торасположение должно быть известно лишь владельцу автомобиля.

Сигнализатор работает следующим образом. После того, как автомобиль поставлен на стоянку, водитель, покинув машину и закрыв дверь кузова, вклю­чает выключатель S1 и на сигнализатор подается напряжение питания ( + 12 В). Однако транзистор VT1 остается закрытым, поскольку напряжение на базе относительно эмиттера практически равно нулю (выключатель S2 разомкнут), Если теперь открыть дверь кузова, то выключатель S2 замкнется, переход — база — эмиттер транзистора VT1 включится в прямом направлении, транзистор откроется и попадет в режим насыщения, что обеспечивается соответствующи­ми значениями сопротивлений резисторов R3 и R4. Коллекторный ток транзис­тора, протекая в цепи управления тринистора, открывает последний, и он, в свою очередь, включит звуковой сигнал автомобиля.


Звуковой сигнал останется также включенным, если теперь закрыть дверь кузова, и может быть отклю­чен только выключателем S1. Через тринистор VS1 протекает ток, потребляе­мый электромагнитом звукового сигнала автомобиля. Этот ток имеет пульси­рующий характер с амплитудой до 20 А и средним значением около 4 А. Ис­ходя из этих значений и выбирается соответствующий тип тринистора (на­пример, КУ202А). Резистор R{ ограничивает ток управляющего электрода три­нистора, и его сопротивление рассчитывается по формуле (8). Диод VD{ пред­отвращает протекание тока через лампу EL1 при подсоединенном к электрообо­рудованию автомобиля сигнализаторе.

 

Глава 4

 

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА

НА ДИОДНЫХ И ТРИОДНЫХ ТИРИСТОРАХ

 

18. Генераторы пилообразного напряжения

Схема генератора пилообразного напряжения на динисторе (рис. 47,а) идентична обычной схеме релаксационного генератора на неоновой лам­пе, но имеет лучшие характеристики по сравнению с последней. Так, напри­мер, время выключения динистора меньше времени деионизации газонаполнен­ной (неоновой) лампы, и поэтому частота повторения импульсов в генераторе с динистором может быть получена более высокой (до нескольких десятков килогерц). Падение напряжения на динисторе значительно меньше, чем на лампе при возникновении тлеющего разряда (примерно 40... 50 В), поэтому коэффициент использования напряжения источника питания в генераторе с динистором получается значительно большим.



Рис. 47. Генератор пилообразного напряжения на динисторе:

а — схема генератора; б — форма выходного напряжения; в — положение нагрузочной пря­мой генератора

Генератор (рис. 47,а) работает следующим образом. После включения на­пряжения источника питания UПит, которое выбирается из условия UПит>Uпрк, конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R1. Напряжение на кон­денсаторе, а следовательно, и на аноде динистора VS1 нарастает по экспонен­те до тех пор, пока несколько не превысит напряжение переключения UПрк динистора.


В этот момент динистор переключается в открытое состояние и конденсатор разряжается через динистор и резистор R2, на котором возника­ет импульс с амплитудой, примерно равной Uпрк. Через открытый динистор протекают ток разряда конденсатора и ток от источника питания (через RI). Сопротивление резистора R1 выбирается таким, чтобы для тока, протекающего через прибор от источника, выполнялось условие UПИТ/R1<Iуд; поэтому пос­ле окончания разряда конденсатора динистор вновь закроется и цикл пере­ключений будет повторяться. Резистор R2 ограничивает ток разряда конден­сатора С1 до безопасного для динистора значения.

Пилообразное напряжение и1, амплитуда которого практически равна Uпрк динистора, снимается с конденсатора С1. На резисторе Rz получаются импульсы «2 положительной полярности с крутым передним фронтом, длительность ко­торых определяется временем разряда конденсатора, а амплитуда примерно равна значению UПрк (рис. 47,6).

Элементы схемы генератора выбираются из следующих соотношений:



Первое, второе и последнее соотношения обеспечивают устойчивое включение динистора, третье — его выключение. При выполнении первых трех условий

прямая нагрузки пересекает вольт-амперную характеристику динистора в одной точке К на участке 2 (рис. 47,в). Угол наклона нагрузочной прямой г|э прямо пропорционален значению arctg 1/R1. Положение рабочей точки на этом участ­ке неустойчиво, что и обусловливает режим автоколебаний. Для обеспечения этого режима необходим тщательный подбор сопротивления резистора Rь Длительность пилообразных импульсов определяется формулой



Длительность импульсов Т2, снимаемых с резистора R2,



Обычно T1>T2, и поэтому частота повторения импульсов (частота собст­венных колебаний) генератора F=l/т1. Регулировка частоты повторения осу­ществляется, как правило, изменением емкости конденсатора d. Для получе­ния хорошей линейности пилообразного напряжения и повышения стабильности частоты повторения необходимо, чтобы Uпит>Uпрк.



Генератор можно синхронизировать на более высокой частоте, чем частота собственных колебаний, подачей внешних импульсов. В качестве примера на рис. 48 приведена схема генератора, синхронизируемого импульсами отрицатель­ной полярности.

Генератор будет запускаться в тот момент, когда сумма напряжения на конденсаторе ис1, которое нарастает по экспоненте, и напряжения синхронизи­рующего импульса Uсинхр превысит напряжение переключения динистора Uпрк, т. е.

uC1 + | UсинхР | > UпРк

Такой генератор с внешней синхронизацией может быть использован как делитель частоты. Действительно, если в момент прихода синхронизирую­щего импульса нарастающее напряжение ис1 на конденсаторе таково, что еще uc1+ |Uсинхр|<Uпрк, то динистор в открытое состояние не переключится. Со­ответствующим выбором амплитуды синхронизирующих импульсов можно добиться, чтобы динистор переключался не от первого, а от второго или третьего импульса и т. д.; тогда частота следования выходных импульсов будет в два, три раза и т. д. меньше частоты следования синхронизирующих импульсов.

                                                     


Рис. 48. Схема генератора пилооб­разного напряжения с внешней син­хронизацией на динисторе

Рис. 49. Схема генератора пилооб­разного напряжения на тринисторе

Генератор пилообразного напряжения на тринисторе (рис. 49) работает в ждущем режиме и запускается внешними импульсами. В интервалах между импульсами тринистор VS1 закрыт, а конденсатор С1 заряжается примерно до напряжения Uc1=Uпит и затем быстро разряжается через резистор R2 и три­нистор VS1, когда на последний подается отпирающий импульс UВх.и. После разряда конденсатора тринистор выключается, что обеспечивается соответст­вующим выбором сопротивления резистора R1 по условию (6). Напряжение пилообразной формы U1 снимается с анода тринистора, а выходное напряже­ние «2, представляющее собой короткие импульсы отрицательной полярности с крутым фронтом, — с резистора R2.


Амплитуды выходных импульсов и1 и и2 примерно равны напряжению источника питания. При работе генератора в ди­апазоне частот (от Fmin до Fmax) амплитуды выходных импульсов сохраняют­ся постоянными, если значение постоянной времени зарядной цепи, равное (R1+R2)C1, отвечает условию l/Fmax>3(R1+R2)C1. При выполнении этого требования конденсатор C1 успевает практически полностью зарядиться в те­чение самых коротких интервалов Tmin = 1/Fтax между импульсами.

Резистор R2 ограничивает ток разряда конденсатора до безопасного для тринистора значения, его сопротивление рассчитывается по формуле R2>Uпит/Iос.п. Диод VD{ устраняет на выходе в паузе между импульсами Uj положительные выбросы за счет зарядного тока конденсатора С1.

Рассмотренные генераторы (рис. 47,а, 49) помимо пилообразного напряжении позволяют формировать короткие мощные импульсы, длительность которых оп­ределяется процессом разряда конденсатора. Формирование этих импульсов ос­новано на принципе накопления энергии, суть которого состоит в следующем. В интервале времени tзар, пока происходит медленный заряд конденсатора, в электрическом поле последнего накапливается некоторое количество энергии We. Затем при открывании тринистора (динистора) накопленная энергия в течение короткого промежутка времени Iраз выделяется в разрядной цепи (практически не ограничивающем резисторе). Мощность, расходуемая источни­ком питания в процессе заряда конденсатора, пропорциональна Wc/tзap, а им­пульсная мощность при разряде составляет Wc/tpa3. Поскольку IЗар>tраз, то мощность, потребляемая от источника, оказывается в tзар/tраз раз меньше мощности формируемого импульса. Таким образом, генератор, питаемый от маломощного источника, позволяет получать импульсы значительной мощности. Это обусловило широкое использование таких генераторов, главным образом на тринисторах, в различных устройствах. Генератор (рис. 49), например, мо­жет быть использован в полупроводниковых системах зажигания для автомо­бильных двигателей внутреннего сгорания; в этом случае вместо резистора R2 включается первичная обмотка катушки зажигания.





Рис. 50. Схема частотомера на тринисторе

На рис. 50 приведена простая и надежная схема частотомера, выполнен­ного на тринисторном генераторе (рис. 49). Здесь параллельно резистору R2 подключен измерительный прибор РА1 — микроамперметр, через который про­текает часть разрядного тока конденсатора С1. Импульсы, частоту следования Рпям которых необходимо измерить, подаются на управляющий электрод три­нистора VS1. Последний отпирается с приходом каждого импульса и разряжа­ет конденсатор С1. Среднее значение разрядного тока Iр.ср определяется емкостью конденсатора С1, напряжением Uc1, до которого он заряжается к мо­менту включения тринистора, и частотой разряда, т. е. Iр.Ср = С1Uc1FИЗМ. Та­ким образом, при постояннных значениях С1 и Uc1 показания прибора пропор­циональны только частоте входных импульсов и не зависят от их длительно­сти и амплитуды.

Для уменьшения погрешности измерений постоянная времени зарядной це­пи R1C1 должна быть примерно на порядок меньше минимального периода пов­торения входных импульсов 1/Fизм max, т. е. R1C1<1/10Fизм max, а зарядное напряжение следует стабилизировать (стабилитрон VZ)2). Сопротивление рези­стора R1 выбирается по условию (6). Шунтирующий диод VD1 устраняет про­хождение зарядного тока конденсатора через измерительный прибор РА1. В частотомере можно применить маломощный тринистор типа КУ101 и др.

Тринисторы можно использовать в качестве переключающих элементов для получения пилообразных токов в устройствах строчной развертки телеви­зоров на электронно-лучевых трубках с большими экранами. Подобные схемы позволяют получать большие по сравнению с транзисторными устройствами от­клоняющие токи и потребляют значительно меньшую мощность, чем устройст­ва развертки на электронных лампах. В схемах строчной развертки телевизи­онных приемников, выпускавшихся в прошлые годы, просто заменить комму­тирующий прибор (лампу, транзистор) тринистором нельзя, так как по прин­ципу работы таких устройств коммутирующий прибор должен полностью закры­ваться при прохождении через него большого тока.



На рис. 51, а показана упрощенная схема выходного каскада строчной раз­вертки с тринистором. Здесь для закрывания тринистора VS1 используется спе­циальный конденсатор С1, называемый конденсатором обратного хода раз­вертки.

Рассмотрим работу устройства, воспользовавшись графиками рис. 51,6. После включения напряжения источника питания UПИТ (момент t0) конденса­тор С, резонансно заряжается через дроссель L3. Пусть к моменту t1 процесс заряда закончится (напряжение на конденсаторе ис1 будет примерно равно 2UПит). Если в этот момент на тринистор VS1 подать включающий импульс ИУ, то энергия, накопленная в конденсаторе, через трансформатор Т{ начнет поступать в отклоняющие катушки строчной развертки L0.K. Индуктивность от­клоняющих катушек L0.K, емкость конденсатора Ci и параметры трансформа­тора Т{ выбираются такими, чтобы разряд конденсатора имел колебательный характер. Через четверть периода собственных колебаний конденсатор C1 разрядится, тринистор закроется, а ток iО.к в катушках достигнет максимального значения Iо.кmах (момент t2). В этот момент на катушке L0.K возникает ЭДС самоиндукции, стремящаяся поддержать ток в катушке. Значение этой ЭДС превышает напряжение UПИТ, а ее полярность такова, что диод VD} включа­ется в прямом направлении и таким образом источник питания UПИт непос­редственно соединяется с катушкой L0.K. В цепи L0.K — VDi — UППт возникает ток iо.к, возвращающий энергию в источник питания. Этот ток изменяется ли­нейно и используется для создания прямого хода развертки. Момент t3, когда ток через катушку L0.K становится равным нулю, должен совпадать с нача­лом следующего цикла.

После закрывания тринистора VS1 конденсатор C1 вновь резонансно заря­жается через дроссель L3 (интервал t2 — t3), и к концу прямого хода (момент t3) напряжение на нем снова будет приблизительно равно 2UПИТ. В момент t3 на гринистор подается следующий включающий импульс, и цикл повторяется.



Рис. 51. Упрощенная схема выходного каскада строчной развертки на трини-сторе (а) и временные диаграммы, поясняющие работу каскада (б) (iт — ток через первичную обмотку трансформатора и тринистор; ta.s. — время прямого хода развертки)



Время включения тринистора должно быть примерно на порядок меньше продолжительности обратного хода развертки tО.х, т. е. tу.вкл< (0,1 ... 0,2)t0.т, а его напряжение в закрытом состоянии Uзс>2UПит.

С описанием схемы строчной развертки на тринисторах современных про­мышленных телевизоров читатель может познакомиться в [6].

 

19. Мультивибраторы и триггеры

 

Мультивибраторы. Схемы мультивибраторов на динисторах очень про­сты: в них используется только один коммутирующий конденсатор. Последний заряжается через открытый динистор во время одного из состояний мультивибратора, а затем напряжение на конденсаторе используется для выключе­ния открытого динистора, когда включается второй, ранее закрытый динистор. После этого мультивибратор переходит во второе состояние.

На рис. 52,а приведена схема самовозбуждающегося мультивибратора, а на рис. 52,6 показаны временные диаграммы его работы. Динисторы для этой схемы выбираются такими, чтобы для каждого из них выполнялось условие

Uпит>Uпрк.

Рассмотрим работу мультивибратора. При подаче напряжения питания Uпит (момент t0) один из динисторов мультивибратора из-за разброса напря­жения иирк первым переключится в открытое состояние. Предположим, что первым переключится динистор KS, (рис. 52,6). Тогда коммутирующий кон­денсатор Ci начнет заряжаться и зарядный ток, проходя через резистор R1, снизит анодное напряжение на динисторе V52, препятствуя тем самым отпира­нию этого динистора вслед за первым. По мере заряда конденсатора напря­жение и2 на аноде динистора VS2 возрастает, и когда оно достигнет напря­жения UПрк2 динистора VS2, последний переключится в открытое состояние (момент ti). К динистору VS1 будет приложено обратное напряжение, равное Uпрк2, так как напряжение на конденсаторе С1 за время открывания динисто­ра VS2 практически не изменится. Динистор VS1 при этом выключится и муль­тивибратор ивменит свое состояние, которое опять-таки будет неустойчивым. Конденсатор С1 будет перезаряжаться через резистор R1 и открытый динистор VS2, напряжение на аноде динистора VS1 за счет падения напряжения на RI снизится, и этот динистор будет оставаться в закрытом состоянии.


Когда на­ пряжение на конденсаторе станет равным UПрк1 динистора V51( последний переключится в открытое состояние (момент t2), что приведет к выключению динистора VS2. Затем цикл переключений повторяется.

При одинаковых плечах (R1 = R2=R и Uпрк1=Uпрк2=Uпрк) получается симметричный мультивибратор и выходное напряжение (и1 или и2) имеет фор­му, показанную на рис. 52,6. В этом случае выходные импульсы напряжения будут иметь примерно одинаковую длительность (T1=T2) и амплитуду.



Рис. 52. Мультивибраторы на динисторах:

а — схема самовозбуждающегося мультивибратора; б — диаграмма работы самовозбуждаю-Щегося мультивибратора; в — схема ждущего мультивибратора; г — диаграмма работы жду­щего мультивибратора

Для самовозбуждения мультивибратора необходимо, чтобы выполнялись условия

Uпит> Uпрк ,

(Uпит-UпРк)/R>Iуд,

где Iуд — удерживающий ток динисторов.

Кроме того, сопротивление анодных резисторов должно быть таким, чтобы среднее значение тока в каждом плече не превышало значение тока динистора в открытом состоянии, т. е. R>Unит/2Ioc.

Емкость коммутирующего конденсатора Ci рассчитывается по формуле (в микрофарадах)



где tвыкл — время выключения динистора, мкс.

Длительность выходных импульсов определяется по формуле



Период колебаний мультивибратора Т = т1 + т2.

Схема ждущего мультивибратора (спусковое устройство с одним устойчи­вым состоянием) приведена на рис. 52,в. Для этой схемы динисторы выбира­ются такими, чтобы для одного из них (например, для VSi) напряжение источ­ника питания Uпит было больше, а для другого (например, VS2) меньше на­пряжения переключения, т. е. UПрк2>Uпит>Uпрк1. Кроме того, сопротивление анодного резистора динистора с меньшим напряжением переключения должна обеспечивать прохождение тока больше удерживающего тока этого динистора.

После подачи напряжения питания динистор VS1 переключится в открытое состояние (Uпит>Uпрк1), а конденсатор С1 зарядится до напряжения Uc1=Uпит. Мультивибратор будет оставаться в таком состоянии (поскольку Uпит/R1>Iуд1) до тех пор, пока внешним переключающим импульсом Uвх.и не будет открыт динистор VS2 (момент t1 на рис. 52,г).


Напряжением коммутирующего конденсатора динистор VSi при этом выключится, и конденсатор С-начнет перезаряжаться через резистор Rt, открытый динистор VS2 и обычный диод VDi, пока напряжение на нем не станет равным Uci — UUpKi. В этот мо­мент (t2) откроется динистор VS1, а динистор VS2 выключится и мультивибра­тор возвратится в исходное устойчивое состояние.

Время, в течение которого мультивибратор находится в неустойчивом со­стоянии, т. е. длительность выходного импульса, определяется формулой



После окончания импульса начинается стадия восстановления мультивиб­ратора, которая зависит от продолжительности заряда конденсатора С{ через резистор R2: тв = 3R2C1.

Таким образом, период повторения входных переключающих импульсов должен быть не меньше суммы T1 + TB.

Форма выходных импульсов показана на рис. 52,г. Как видно из рис. 52,г. динистор VS1 большую часть времени открыт и закрывается только на время T1 генерации выходного импульса. Поэтому сопротивление резистора R: долж­но также соответствовать условию R1>UПит/Iос1, где Ioci — средний ток ди­нистора VS1 в открытом состоянии. Сопротивление резистора R2 должно быть в 10... 20 раз меньше сопротивления динистора VS2 в закрытом состоянии. Кроме того, R2 влияет на время восстановления мультивибратора, и для со­кращения времени тв сопротивление R2 желательно уменьшать. Минимальное значение R2 ограничивается импульсным током Iос.п2 динистора VS2, т. е. R2>Uпит/Iос.п2. Емкость коммутирующего конденсатора С1 определяется по формуле (в микрофарадах)



где tвыкл — время выключения динистора, мкс.

Ждущие мультивибраторы могут быть выполнены и на одном приборе — динисторе или тринисторе. На рис. 53,а представлена схема спускового устрой­ства с одним устойчивым состоянием — ждущего генератора прямоугольных импульсов. Длительность выходных импульсов определяется параметрами по­следовательного резонансного контура LC, который также используется для вы­ключения тринистора.



Рис. 53.


Схема ждущего генератора прямоугольных импульсов на тринисторе (а) и временные диаграммы работы генератора (б)

Работу генератора удобно проследить по графикам рис. 53,6. При закры­том тринисторе VS1 конденсатор C1 заряжается через катушку индуктивности L1 и нагрузочное сопротивление Rн практически до напряжения UПит (поляр­ность напряжения на конденсаторе указана на рисунке без скобок). В таком устойчивом состоянии генератор остается до тех пор, пока не будет включен тринистор VS]. После включения тринистора внешним (входным) импульсом, длительность которого должна быть меньше длительности генерируемого (вы­ходного) импульса, через нагрузку RH и прибор начинает проходить ток Iн, равный Uпит/Rн (момент t1, рис. 53,6). Одновременно возникает ток iк в цепи: последовательный контур L1C1 — тринистор VS1, обусловленный колебатель­ным перезарядом конденсатора через катушку индуктивности и открытый три­нистор. Этот ток имеет синусоидальную форму и амплитуду, равную Uпит/р, где — волновое сопротивление контура. Через четверть периода собст­венных колебаний ток iK достигнет амплитудного значения, а напряжение на конденсаторе станет равным нулю (момент t2). Затем кон­денсатор начинает перезаряжаться, и в конце полупериода собственных колеба­ний контура полярность напряжения на конденсаторе изменится на обратную (указана на рисунке в скобках), а ток станет равным нулю (момент t3). В следующий полупериод собственных колебаний ток в цепи изменяет направле­ние и поэтому начинает протекать через открытый тринистор навстречу току нагрузки. Результирующий ток через тринистор по мере нарастания синусои­дального тока перезаряда конденсатора уменьшается, и, когда он станет мень­ше удерживающего тока, прибор выключится. Для надежного выключения три-нистора амплитуда синусоидального тока IКт = Uпит/р должна по крайней ме­ре в два раза превышать ток нагрузки Iн = Uпит/Rн. Остаточное отрицательное напряжение на конденсаторе уменьшает время восстановления закрытого со­стояния тринистора после прекращения анодного тока.


После закрывания три- нистора сопротивление нагрузки оказывается включенным последовательно с контуром, и если RH>2p, то контур будет демпфирован и колебательный про­цесс прекратится. Рассмотренный способ выключения тринистора представляет собой один из методов выключения посредством принудительной коммутации. Расчет элементов генератора для получения импульсов длительностью т можно произвести по формулам



При таких значениях L1 и С1 длительность спада импульса получается около (0,2 ... 0,3) т. Длительность фронта импульса определяется тринистором и не превышает 1 ... 2 мкс. Минимальная длительность выходных импульсов Tmin не может быть меньше времени включения тринистора по управляющему элек­троду, т. е. Tmin >tу. вкл.

Диод VDi не является обязательным элементом генератора, однако его включение параллельно контуру практически устраняет положительный выброс в конце выходного импульса. Действительно, при отсутствии диода VD1 после закрывания тринистора ток перезаряда конденсатора контура какое-то время протекает через сопротивление нагрузки, напряжение на ней возрастает и на срезе выходного импульса появляется выброс. При подключении диода ток контура проходит через него, пока не спадает до нуля.

Триггеры. Спусковые устройства с двумя устойчивыми состояниями — триг­геры могут выполняться на динисторах (рис. 54,а) или на тринисторах (рис, 54,6). Оба триггера имеют один вход для подачи внешних переключающих им­пульсов. После включения напряжения питания динисторы и тринисторы триг­геров должны оставаться надежно закрытыми. Для триггера (рис. 54,а) это обеспечивается выбором типа динисторов по условию Uпрк>Uпит, а для триг­гера рис. 54,6 амплитуда зарядного тока конденсаторов С2 и С3 в первый мо­мент после включения напряжения UПит не должна превышать значение неот­пирающего тока управления тринисторов, т. е. Uпит/(R2+R4) <Iу.нот1 и Uпит/(R1+R3)<Iу.нот2, где Iу.нот1 и IУ.нот2 — значения неотпирающего тока тринисторов VS1 и VS2 соответственно.


Сопротивления анодных резисторов R1 и R2 каждой схемы должны обеспечивать выполнение условия (3) , т. е. Uпит/R1>Iудк и Uпит/R2>Iуд2, и, кроме того, быть по крайней мере в 10... 20 раз меньше сопротивления динисторов (тринисторов) в закрытом состоянии. При закрытых динисторах (тринисторах) напряжения на их анодах, а следо­вательно, и обратное напряжение на диодах VDi и VD2 примерно равны UПит, а коммутирующие конденсаторы С1 триггеров не заряжены.



Рис. 54. Схемы триггеров на динисторах (а) и тринисторах (б)

Перед началом работы каждый триггер необходимо установить в исход­ное состояние, при котором одно из плеч проводит, а другое — нет. В тригге­ре (рис. 54,а) для этого обычно подается специальный импульс UуСT начальной установки, открывающий один из динисторов (например, VSi). Триггер пере­ключится в первое устойчивое состояние, а конденсатор Ci через сопротивле­ние нагрузки R2, динистор VSi и диод VD3 зарядится до напряжения Uc1=Uпит. Обратное напряжение на диоде VD2 резко уменьшится и станет равным падению напряжения на динисторе VSl и на диоде VD3, которые включе­ны в прямом направлении, в то же время на диоде VDi обратное смещение со­хранится прежним.

В этом состоянии триггер будет находиться, пока на его вход не поступит первый переключающий импульс UВх.и, который через диод VD2 лройдет на катод динистора VS2 и переключит последний в открытое состояние. Динистор VSi за счет напряжения на коммутирующем конденсаторе С( закроется. Триг­гер перейдет во второе устойчивое состояние, при котором полярность напря­жения на обкладках конденсатора Ci изменится, обратное смещение на диоде VD2 увеличится, а на VDi уменьшится. Второй входной импульс откроет ди-нистор VSi и вернет триггер в первое устойчивое состояние. Таким образом, смена состояний триггера будет происходить при подаче на вход каждого им­пульса, амплитуда которого UВх.и должна удовлетворять условию

Uпит> Uвх.и >U от. и.

Длительность входных импульсов должна быть мала по сравнению с по­стоянной времени RlCl (и R2Ci), чтобы не оказывать влияние на длительность выходных импульсов.



Режим работы симметричного триггера (Ri = R2=R, a VS{ и VS2 — дини- сторы одного типа) должен соответствовать условиям

UПРК.>UПИТ,

UПИТ/R>Iуд,

при выполнении которых нагрузочная прямая пересекает все три участка вольт-амперной характеристики динистора (рис. 6,6). Точки на участках 1 к 3 вольт-амперной характеристики определяют устойчивые состояния триггера, а на участке 2 — неустойчивое.

В триггере на тринисторах (рис 54,6) исходное состояние устанавливается при кратковременном нажатии кнопки S1, отпирающей прибор VS1. Триггер переключается в первое устойчивое состояние, при котором прибор VS1 от­крыт, a VS2 закрыт. Первый входной импульс проходит через диод VD2 и от­крывает тринистор VS2, при этом тринистор VS1 выключается напряжением коммутирующего конденсатора С1 и триггер переходит во второе устойчивое со­стояние и т. д. Смена состояния триггера происходит с приходом каждого вход­ного импульса, амплитуда которого Uвх.и должна быть UПИТ>Uвх.и>Uос и, кроме того, удовлетворять условию UВх.и>Uу.от.и. Сопротивление резистора R7 рассчитывается по формуле (8), а емкости коммутирующих конденсаторов обеих схем определяются по формуле (18).

Диоды VD1 и VD2 и резисторы R3 и R4 (в каждой схеме) предотвращают шунтирование источника входного сигнала проводящим плечом триггера и, кроме того, обеспечивают прохождение входного сигнала только на закрытое плечо триггера. Сопротивления резисторов R3 и R4 обычно одинаковы и долж­ны быть не менее нескольких десятков килоом. Диоды VD1 и VD2 должны иметь обратное напряжение не менее напряжения источника питания UПит.

Выходные импульсы триггеров, амплитуда которых примерно равна Uпит, снимаются с анодов динисторов (тринисторов). Рассмотренные схемы тригге­ров широко используются в счетных и запоминающих ячейках и в других устройствах.

20. Генераторы импульсов специальной формы

Наряду с рассмотренными схемами релаксационных генераторов с по­мощью динисторов и тринисторов можно создавать различные устройства, фор­мирующие импульсные напряжения и токи специальной формы.



Генератор ступенчатого напряжения. На рис. 55,а показана схема генера­тора на динисторах, выходное напряжение которого имеет ступенчатую форму (рис. 55,6). Напряжение такой формы используется в различных счетных уст­ройствах. Напряжение источника питания Uпит генератора выбирают примерно в 1,5 — 2 раза больше суммы напряжений переключения Uпрк1 + UПрк2 обоих его динисторов VS1 и VS2. Емкость конденсатора Ci (например 0.01... 0,05 мкФ) должна быть примерно на порядок меньше емкости конденсатора С2 (напри­мер, 0,2 ...0,5 мкФ).



Рис. 55. Схема генератора ступенчатого напряжения на динисторах (а) и фор­ма выходного напряжения (б)

Генератор работает следующим образом. При замыкании выключателя QI все напряжение источника питания Uпит оказывается приложенным к дини-стору VS1 (конденсаторы С1 и С2 не заряжены, и в момент сразу после ком­мутации напряжение на них останется равным нулю). Поскольку условие Uпит>Uпрк1 выполняется с запасом, динистор VS1 откроется и включенныг последовательно с ним конденсаторы С1 и С2 начнут заряжаться (цепь заряда конденсаторов показана на схеме сплошной линией). По мере заряда конден­саторов ток через динистор VS1 будет уменьшаться, и, когда он станет мень­ше удерживающего тока, динистор выключится. К концу зарядного интервала напряжение и1 на конденсаторе С1 будет существенно больше напряжения и2 на конденсаторе С2, так как С2>С1, а как известно, u1/u2 = C2/C1. При закры­том динисторе VS2 конденсатор С2 почти не разряжается (цепь разряда кон­денсаторов показана на схеме штриховой линией) и напряжение на нем прак­тически не изменяется. В то же время конденсатор С1 разряжается через ре­зистор R1, напряжение и1 на нем уменьшается, а напряжение иД1 на динисторе VS1, равное uД1 = UПит — u1 — u2, возрастает, и, когда это напряжение достигает значения UПРК1, динистор VS1 вновь открывается. Затем цикл повторяется.

В результате таких следующих один за другим циклов напряжение на кон­денсаторе С2 ступенчато возрастает до напряжения переключения UПРк2 дини­стора VS2. При открывании динистора VS2 конденсатор С2 разряжается, фор­мирование ступенчатого сигнала прекращается и генератор возвращается в исходное состояние.



Сопротивление резистора R1 определяет время разряда конденсатора Ci и, следовательно, длительность каждой ступеньки. Если это сопротивление зна­чительно больше сопротивления, через которое происходит заряд конденсаторов C1 и С2 (т. е. внутреннего сопротивления открытого динистора VSi), то фронт ступеньки получается во много раз короче ее длительности. Резистор R2 ограничивает ток разряда конденсатора С2 до безопасного для динистора VS2 значения. Сопротивление внешней нагрузки должно быть до­статочно большим (единицы мегаом), чтобы предотвратить заметную утечку заряда с конденсатора С2 в процессе построения ступенчатого сигнала.

Амплитуда каждой ступеньки ДUВЫх выходного сигнала определяется вы­ражением



а максимальное число ступенек



Генераторы мощных импульсов треугольной формы. На рис. 56 приведены две схемы генераторов, питающихся от сети переменного тока и формирующих импульсы, синхронные с частотой сети. В обоих генераторах используется прин­цип формирования мощных коротких импульсов, форма которых близка к тре­угольной, путем разряда предварительно заряженного конденсатора Ci через первичную обмотку выходного трансформатора, т. е. получение мощных им­пульсов с помощью накопителя энергии. При использовании повышающего вы­ходного трансформатора на его вторичной обмотке можно получать импульсы высокого напряжения, а при понижающем трансформаторе — мощные импульсы тока.

Генератор (рис. 56,а) может подключаться к питающей сети непосредст­венно, а генератор (рис 56,6) — через трансформатор с двумя вторичными об­мотками.



Рис. 56. Генераторы мощных треугольных импульсов:

а — схема генератора с тринистором и динистором; б — схема генератора с тринистором

После включения генератор (рис. 56,а) работает следующим образом. В тот полупериод напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) про­вод питания, конденсатор C1 заряжается через диод VD1 и резистор R1 до амплитудного значения напряжения сети. В отрицательный полупериод заряжается конденсатор С2 через диоды VD2 и VD3 и резистор R2 (полярность напряжения на С2 показана на схеме).


Когда напряжение на С2 становится равным напря­жению переключения динистора VS2, т. е. uс2>Uпрк, динистор открывается и разрядный ток конденсатора С2, протекая через цепь управления тринистора VS1, открывает его. Конденсатор C1 разряжается через тринистор VSi и пер­вичную обмотку трансформатора Т1, со вторичной обмотки которого импульс подается на нагрузку. После разряда С1 тринистор выключается, а в следую­щий положительный полупериод конденсатор Ci вновь заряжается, и цикл повторяется. Таким образом, генератор срабатывает при каждом отрицательном полупериоде напряжения сети и частота следования выходных импульсов равна частоте сети.

Задержка выходных импульсов относительно начала отрицательного полу­периода зависит от сопротивления резистора R2. Если сопротивление резистора R2 увеличить настолько, чтобы конденсатор С2 заряжался до напряжения UПрк динистора не за один, а за несколько отрицательных полупериодов, то частота выходных импульсов будет меньше частоты питающей сети.

Емкость конденсатора C1 определяет мощность и длительность выходных импульсов, ее типовое значение около 1 мкФ. Емкость конденсатора С2 выби­рается примерно на порядок меньше емкости С1, т. е. С1/С2>10.

Напряжение Uпрк динистора должно отвечать условию Uпрк>Uу.от+Iу.отR4, где Uу.от и Iу.от — отпирающие напряжение и ток управления три­нистора.

Работу генератора (рис. 56,6) удобно начать рассматривать с момента вре­мени, соответствующего полупериоду переменного напряжения сети, когда на­пряжение на обмотках II и III трансформатора Т1 имеет полярность, показан­ную на рисунке. При такой полярности напряжения на обмотках диод VD, оказывается в проводящем состоянии и накопительный конденсатор Ci заряжа­ется до амплитудного значения напряжения на обмотке II (полярность напря­жения на конденсаторе С1 обозначена на схеме). В то же время в течение это го полупериода диод VD2 закрыт и тринистор VSi также остается закрытым. При смене полярности напряжения на обмотках в следующий полупериод на­пряжения сети диод VDi закрывается, а диод VD2 оказывается в проводящем состоянии.


При этом напряжение с обмотки III подается на управляющий элек­трод тринистора VSi, и он отпирается, в результате чего конденсатор Ct раз­ряжается через первичную обмотку выходного трансформатора Т2 и открытый тринистор. В следующий полупериод вновь происходит смена состояний дио­дов VDi и VD2, и процессы повторяются. Таким образом, генератор формиру­ет импульсы, частота следования которых равна частоте сети и не регулиру­ется.

Напряжение на обмотке III трансформатора Т1 должно обеспечивать вклю­чение тринистора в начале полупериода, для чего на этой обмотке необходимо иметь переменное напряжение с амплитудой 40 ... 60 В. При этом тринистор от­пирается в моменты времени, когда крутизна синусоидального напряжения на обмотке достаточно большая, и поэтому стабильность угла отпирания, кото­рая определяет стабильность частоты следования выходных импульсов, оказы­вается высокой.

Резистор R2 служит для ограничения тока управляющего электрода, a Rt ограничивает ток заряда конденсатора C1.

Мощный генератор прямоугольных импульсов. Хорошие ключевые свойства тринисторов позволяют с успехом использовать их в генераторах мощных им­пульсов, форма которых приближается к прямоугольной. Работа таких уст­ройств основана на принципе накопления энергии (см. § 18). Они могут ис­пользоваться в качестве импульсных модуляторов генераторов высокой часто­ты, в квантовой технике и т. д.

Схема ждущего генератора мощных прямоугольных импульсов приведена на рис. 57. По существу, эта схема представляет собой разновидность генера­тора рис. 49, в котором зарядный резистор заменен дросселем L3 и диодом VD1, а конденсатор — искусственной линией Z из LC-звеньев, служащей для формирования импульса необходимой длительности и формы.

Работа генератора складывается из двух циклов: зарядного и разрядного.

В паузах между импульсами, когда тринистор VS1 закрыт, конденсаторы линии заряжаются от источника постоянного напряжения Uпит через дроссель L3 и диод VD1. Использование в зарядной цепи дросселя позволяет получать резонансный заряд конденсаторов линии, поэтому в конце зарядного цикла напряжение на конденсаторах линии Uл max примерно равно 2UПИт.


Таким об­разом, роль накопителя энергии здесь выполняют конденсаторы искусственной линии. Включение в зарядную цепь диода VD1 препятствует разряду конденса­торов линии и позволяет сохранить напряжение Uл max на них до прихода уп равляющего импульса на тринистор.

Разрядный цикл начинается при подаче управляющего импульса на трини­стор VS1. Тринистор включается, и линия формирования разряжается через-тринистор на сопротивлении нагрузки RH, которое должно быть равно волно­вому сопротивлению линии рл, т. е. Rн=рл. На нагрузке формируется импульс, длительность которого ти определяется параметрами линии, а амплитуд» UBЫХ.И = 0,5Uл mах~Uпит. Во время разряда линии через тринистор проходит импульс тока с амплитудой Iи = Uл mах/(Rн + рл) = Uвых.иАRн.

Тринистор остается открытым в течение времени ти, пока происходит разряд линии. При этом через тринистор, кроме разрядного тока линии, протекает ток от источника Uпит через дроссель L3 и диод VD1. Чтобы тринистор выключился, когда линия полностью разрядится, ток, протекающий через него от источника, питания, за время ти не должен успеть возрасти до значения Iуд. Это выпол­няется, если индуктивность зарядного дросселя L3 удовлетворяет условию

L3 > ти UПИТ/IУД.



Рис. 57. Схема ждущего генератора мощных прямоугольных импульсов;

Элементы схемы генератора при заданных параметрах выходного импульса (длительности ти, частоте повторения F и амплитуде Uвых.и) и известном со­противлении нагрузки Rн рассчитываются по следующим формулам.

Суммарная емкость линии

Сл = тн/2 Rn.

Суммарная индуктивность линии

Lл = ти Rн/2.

Индуктивность зарядного дросселя

L3<1/п2F2Сл.

Емкость и индуктивность одной ячейки линии

C' = Culk; L' = Lnlk,

где k — число ячеек линии. Чем больше k, тем лучше форма выходного импуль­са приближается к прямоугольной, обычно выбирают k>4 ... 6.

Напряжение источника питания UПИТ= (1,15 ...1.2) UВЫХ.И.

Обычно искусственные линии имеют волновые сопротивления рл = =|/ LЛ/СЛ, равные нескольким десяткам ом (рл = 10... 80 Ом).


Поэтому для согласования сопротивления нагрузки с волновым сопротивлением линии часто используется повышающий импульсный трансформатор, первичная обмотка ко­торого включается вместо сопротивления нагрузки. Если коэффициент транс­формации равен n, то сопротивление нагрузки RH, подключенной ко вторичной обмотке и пересчитанное в первичную обмотку трансформатора, окажется

R'н = Rн/n2.

При использовании трансформатора условием согласования волнового со­противления искусственной линии и сопротивления нагрузки будет равенство рл = R'н. Применение повышающего импульсного трансформатора позволяет по­лучить напряжение на нагрузке большее, чем напряжение источника питания генератора.

Тринистор для генератора выбирается таким, чтобы его анодное напряже­ние было Uзс>2Uпит, импульсный ток Iос.п>Iи, а средний ток Iос>IиFТи.

Длительность внешних управляющих импульсов тВх.и должна быть Твх.и>tу.вкл, где tу.вкл — время включения тринистора.

 

21. Счетчики импульсов

Динисторы и тринисторы нашли широкое применение в различных счетных устройствах, обладающих рядом существенных преимуществ по срав­нению с транзисторными. Тиристорные счетчики более стабильны в работе при изменении напряжения питания и температуры, в них используется меньшее количество элементов, и они имеют большую надежность. Кроме того, большой коэффициент усиления по мощности тринисторов позволяет включать нагрузку (сигнальные лампы, цифровые индикаторы, электромагнитные реле и т. д.) не­посредственно в цепь счетчика.



Рис. 58. Схема кольцевого счетчика импульсов на тринисторах с установкой ис­ходного состояния с помощью кнопки

Различные варианты схем счетчиков используют способность приборов ра­ботать в триггерном (бистабильном) режиме. На рис. 58 приведена одна из воз­можных схем трехкаскадного кольцевого счетчика на тринисторах. Счетчик последовательно переключает нагрузки при поступлении на вход очередного импульса. Продолжительность работы каждой нагрузки определяется времен­ным интервалом между подаваемыми входными импульсами.


Параллельно на­ грузкам могут быть подключены неоновые лампы, позволяющие визуально кон­тролировать работу счетчика.

После включения напряжения питания UПит тринисторы VS1 — VS3 остаются закрытыми, нагрузки Rн1 — Rн3 обесточены. Обратное смещение на диодах VD1 — VD3 практически равно напряжению источника питания UПИT. Для установ­ки счетчика в исходное состояние следует кратковременно нажать кнопку 5Ь. при этом откроется тринистор VS1 и включится нагрузка RH1. Обратное напря­жение на диоде VD2 станет равным Uoc1, т. е. падению напряжения на от­крытом тринисторе VS1, а на диодах VD1 и VD3 сохранится прежним, равным; Uпит. Коммутирующий конденсатор С1, подключенный к аноду тринистора KS1, через сопротивление нагрузки Rн2 и открытый прибор VS1 зарядится до напря­жения UС1=Uпит.

Первый входной переключающий импульс, амплитуда Uвх.и которого дол­жна быть Uвх.и>Uу.от.и и, кроме того, удовлетворять условию Uпит>UВх.и>Uос1, проходит только через диод VD2 и открывает тринистор VS2. Напряже­нием коммутирующего конденсатора C1 тринистор VS1 выключится. Нагрузка Rн1 отключится от источника питания, к которому теперь подключится на­грузка Rн2. Обратное смещение на диоде VD3 уменьшится и станет равным UOC2, а на диодах VD1 и VD2 — равным UПит.

Следующий входной импульс пройдет теперь через диод VD3, откроет три­нистор VS3 и подключит к источнику питания нагрузку Rн3. Напряжением ком­мутирующего конденсатора С2 тринистор VS2 выключится и нагрузка RB2 обес­точится. Таким образом, последовательно подаваемые входные импульсы будут переключать нагрузки в таком порядке: RH1 — RH2 — RH3 — RHI — RH2 — RH3 и т. д, Число счетных ячеек не ограничивается тремя и может быть в принципе вы-брано любым.

Прямое напряжение тринисторов в закрытом состоянии должно удовлетво­рять условию (2), а ток каждой нагрузки (т. е. анодный ток тринисторов) — требованию (5). Сопротивление резистора R1 рассчитывается по формуле (8), а коммутирующие конденсаторы (Ci — С3) — по формуле (18).


Сопротивления резисторов R2 — R4 выбираются в пределах нескольких десятков килоом, чтобы свести к минимуму дополнительную нагрузку на источник входных импульсов. Емкость конденсаторов С4 — С6 выбирается в пределах 0,01 ... 0,1 мкФ. Диоды VD1 — VD3 должны пропускать относительно небольшой ток, равный импульс­ному току Iу.от.и управления тринистора, и иметь обратное напряжение

Uобр>Uпит.

Широкое применение в аппаратуре отображения информации, счетных уст­ройствах и измерительных приборах находят цифровые газоразрядные индика­торные лампы тлеющего разряда (серии ИН), у которых электроды внутри стеклянного баллона выполнены в виде цифр от 0 до 9.

Используя тринисторы с высоким прямым напряжением (не менее 200 В), можно создавать устройства, где электроды газоразрядных промежутков циф­рового индикатора включаются непосредственно в анодные цепи тринисторов и при отпирании одного из них начинается свечение соответствующей цифры.

На рис. 59 представлена схема десятичного кольцевого счетчика на три-нисторах с цифровым газоразрядным индикатором HG1. Тринисторы VSQ — VSg с соответствующими элементами составляют десять счетных ячеек. Тринистор VS10 выполняет вспомогательную роль и предназначен для выключения три-нистора VS9. Тринисторы VS0 — VS9 включаются последовательно с разрядными промежутками индикатора HG1. Если тринистор закрыт, то соответствующая адфра не горит, так как в этом случае приложенное к лампе напряжение не­достаточно для возникновения разряда.



Рис. 59. Схема кольцевого счетчика импульсов на тринисторах с цифровым га­зоразрядным индикатором

Исходное состояние счетчика устанавливается автоматически: после подачи напряжения источника питания UПит через резисторы Rь R2 и цепь управля­ющего электрода тринистора VS0 начинает протекать ток, отпирающий этот прибор, и соответствующий разрядный промежуток лампы оказывается под на­пряжением UПИТ; на индикаторной лампе загорается цифра «О» (нулевой раз­ряд). Остальные тринисторы в исходном состоянии закрыты.


Коммутирующий конденсатор С, заряжается практически до напряжения источника питания UС1=Uпит. При открытом тринисторе VS0 диод VD0 шунтирует цепь управ­ления этого прибора; ток управляющего электрода резко уменьшается и становится меньше значения Iу.нот. Кроме того, при открытом тринисторе VS1 обратное напряжение на диоде VD10 становится равным напряжению Uoc три­нистора VSo, в то время как обратное напряжение на диодах VD11 — VD20 рав­но напряжению источника питания UПит.

Первый импульс, поступающий на вход устройства, сможет пройти только через диод VD10, если его амплитуда UВх.и удовлетворяет условию

Uпит>Uвх.и>Uос.

Этот импульс откроет тринистор VS1, который с помощью коммутирующего конденсатора С1 выключит тринистор VSo. На индикаторной лампе цифра «О» гаснет и загорается цифра «1» (первый разряд). После отпирания тиристора VS1 цепь управляющего электрода прибора VS0 по-прежнему остается зашун-тированной, но теперь уже диодом VD1, и, следовательно, тринистор VS0 не может быть открыт током, протекающим через резисторы RI и R2. Обратное напряжение на диоде VD11 уменьшится до значения Uoc тринистора VS1, а на диодах VD10, VD12 — VD2o оно будет равно напряжению UНИт.

Каждый поступающий счетный импульс (до девятого включительно) точно таким же образом переключает очередные разряды счетчика: выключает про­водящий тринистор и включает следующий за ним закрытый. Переключаемые тринисторы коммутируют соответствующие электроды газоразрядной лампы. При этом тринистор VS0 остается закрытым, так как его цепь управления все время шунтируется одним из диодов VDo — VD9, соответствующим открытому тринистору.

При поступлении десятого импульса включается тринистор У5ю. В анодной цепи этого прибора нет диода, шунтирующего резистор R2, и поэтому при его отпирании не только выключается тринистор VS9, но и вновь открывается три­нистор нулевого разряда VS0 и загорается цифра «О» на индикаторной лампе Сопротивление анодного резистора R13 выбирается таким, чтобы выполнялось условие Uпит/R13<Iуд10, поэтому после переразряда коммутирующего конден­сатора Сю тринистор VS10 также закрывается.


Счетчик возвращается в исход­ное состояние.

Для устойчивой работы счетчика необходимо исключить возможность лож­ного включения тринистора нулевого разряда VS0. Хотя резистор R2 и шунти­руется одним из диодов VD0 — VD9, управляющий ток тринистора VS0 тем не менее не равен нулю. Значение этого тока IУ0 определяется напряжением И0г на аноде открытого тринистора, падением напряжения ия на проводящем диоде, который соответствует этому тринистору, и сопротивлением резистора R2, т. е.

Iь = (Uoс+Uд)/R2.

Из полученного соотношения, если учитывать, что ток Iуо должен быть IУо<IУ нот, определяется сопротивление резистора R2.

Суммарное сопротивление резисторов R1 + R2 рассчитывается по формуле (8), а емкости коммутирующих конденсаторов C1 — С10 по формуле (18). Дио­ды VD10~VD20 и резисторы R14 — R23 выбираются так же, как и в предыдущем устройстве. Прямое напряжение тринисторов в закрытом состоянии должно удовлетворять условию (2). Обычно ток горения Iг индикаторной лампы не превышает единиц миллиампер (определяется резистором .R24), поэтому сопро­тивления анодных резисторов R3 — R12, которые включены параллельно соответ­ствующим газоразрядным промежуткам лампы, должны обеспечивать ток в каждом из тринисторов VS0 — VS9 больше удерживающего тока; например, для тринистора VS1 должно выполняться неравенство

UПИТ/R4 + Iг > IУД1

Описание счетчика импульсов на динисторах читатель может найти, на­пример, в [5].

 

Глава 5

 

УСТРОЙСТВА ДЛЯ СОЗДАНИЯ СВЕТОВЫХ ЭФФЕКТОВ

 

22. Сигнальные и развлекательные источники света

Устройства, создающие различные световые эффекты, применяются в движущихся рекламах, декоративных установках, световых указателях, бы­товых развлекательных установках, для светового оформления новогодних елок и пр. В большинстве таких устройств ранее использовались электромеханические или электронные переключатели, создающие «мигающий» свет с различными ин­тервалами времени «включено» — «выключено». Для этих устройств тринисторы, пожалуй, являются самыми подходящими приборами.


По сравнению с электро­ механическими преимущества тринисторных переключателей проявляется в том, что последние могут работать в широком диапазоне токов и напряжений, обес­печивая при этом значително большую надежность и долговечность, поскольку нет механических контактов, коммутирующих сильноточные цепи. Кроме того, тринисторы способны выдерживать большие броски тока в момент включения .ламп накаливания, что позволяет включать лампы непосредственно в анодные цепи приборов.

В каждом устройстве, предназначенном для создания световых эффектов, может использоваться одна или несколько ламп, а также гирлянды, состав­ленные из последовательно соединенных однотипных ламп (например, при на­пряжении сети 220 В можно составить гирлянду из десяти ламп с напряже­нием 24 ...26 В).

Одна из простых схем переключателя показана на рис. 60. Переключатель питается переменным током и в зависимости от своего назначения может под­ключаться к сети через понижающий трансформатор или непосредственно. Устройство поочередно включает лампы накаливания, и в любой момент времени к источнику питания оказывается подключенной только одна лампа: HLl или HL2.

После подачи напряжения питания (выключателем Q1) и при отсутствии сигнала на управляющем электроде тринистора VS1 этот прибор остается за­крытым, а тринистор VS2 откроется и загорится лампа HL2. Тринистор VS2 проводит в те полупериоды напряжения, когда положителен верх­ний (по схеме) провод источника, при этом на аноде прибора VS2 и его управляющем электроде действует положительное напряжение. Значение уп­равляющего тока определяется сопротивлением резистора R{, которое рассчи­тывается по формуле (12), чтобы обеспечить включение тринистора VS2 в на­чале каждого положительного полупериода напряжения. Пока горит лампа HL2, через лампу HL1 протекает небольшой ток управления тринистора VS2r недостаточный для накала нити лампы, и она остается погашенной.



Рис. 60. Схема переключателя для поочередной коммутации двух источников света





Рис. 61. Схема устройства для создания «мигающего» света с одина­ковыми интервалами «включено» — «выключено»

В таком состоянии (лампа HL1 погашена, а лампа HL2 зажжена) устрой­ ство находится до тех пор, пока на управляющий электрод тринистора VSi не будет подан отпирающий сигнал длительностью не менее нескольких секунд. При этом тринистор VS1 во время очередного положительного полупериода напряжения включится и загорится лампа HL1. Одновременно управляющее на­пряжение, подаваемое на прибор VS2, снизится до значения U0c1, равного па­дению напряжения на тринисторе VSt. Условие Uoc1/R1<Iy.HoT выполняется с запасом, поэтому тринистор VS2 отпереться не сможет и лампа HL2 не заго­рится. Это состояние сохраняется, пока на тринистор VS1 подается управля­ющий сигнал. Если управляющий сигнал снять, то устройство возвратится в исходное состояние: тринистор VS1 закроется в конце очередного положитель­ного полупериода напряжения, лампа HL1 погаснет, а в следующий положитель­ный полупериод тринистор VS2 вновь откроется, включив лампу HL2. Таким образом, лампа HL2 включена, а лампа HL1 выключена, когда управляющий сигнал отсутствует, и наоборот, HL1 включена, a HL2 выключена при подаче этого сигнала. Через лампы и тринисторы протекает однополупериодный ток, поэтому тринисторы по току и напряжению должны выбираться, как и для выключателя рис. 24. Продолжительность интервала «включено» — «выключено» определяется длительностью внешнего сигнала, и устройство может быть использовано, например, в световых указателях типа «пуск» — «остановка», «вниз» — «вверх», «идите» — «стойте» и т. д.

В переключателях, питающихся постоянным током, для управления тринис-торами удобно использовать однопереходные транзисторы. При этом удает­ся весьма просто обеспечить широкий диапазон изменения частоты включения света при высокой стабильности интервалов «включено» — «выключено».

В устройстве (рис. 61), создающим мигающий» свет, используется ком­бинация однопереходного транзистора и двух тринисторов.


Лампа накаливания HLi включена в анодную цепь тринистора VS2. Тринистор VS1 предназначен для выключения тринистора VS2. Переключатель начинает работать сразу после подачи напряжения питания. Тринисторы VS1 и VS2 отпираются поочередно импульсами, вырабатываемыми релаксационным генератором на однопереход-ном транзисторе (см. § 8). Для правильной работы устройства должна соблю­даться строгая очередность открывания тринисторов. До прихода первого уп­равляющего импульса оба тринистора закрыты. Импульс с резистора R4 пода­ется одновременно в цепи управления обоих закрытых приборов, однако при этом первым должен включиться тринистор VS1. Достигается это с помощью диода VD2 и резистора R7. При закрытых тринисторах резистор R7 создает на диоде VD2 обратное напряжение, примерно равное UПИТ; следовательно, пер­вый импульс, амплитуда которого UR4<Uпит, на управляющий электрод три­нистора VS2 не проходит. После отпирания тринистора VSi через него и нить лампы HLi заряжается конденсатор С2 (полярность напряжения на нем указа­на на рисунке без скобок), а обратное напряжение на диоде VD2 резко умень­шается до значения, равного напряжению U0c1 на аноде тринистора VS1. Если амплитуда импульсов Uл4 соответствует условию UПит>UR4>Uос1, то второй импульс пройдет на управляющий электрод тринистора VS2 и откроет его. Тринистор VS2 включает лампу HL1 и напряжением коммутирующего конден­сатора С2 закрывает прибор VS1. Конденсатор С2 перезаряжается (полярность напряжения обозначена на рисунке в скобках), а на диод VD2 вновь подается обратное напряжение, равное Uпит. Очередной импульс снова отпирает три­нистор VSi, который, в свою очередь, закрывает прибор VS2, и лампа HL1 гаснет. С приходом следующих импульсов цикл повторяется. Очевидно, что устройство обеспечивает работу лампы с одинаковыми интервалами «включе­но» — «выключено».

Продолжительность каждого интервала равна периоду следования импуль­сов генератора (14) и может регулироваться резистором R2. Генератор управ­ляющих импульсов рассчитывается по формулам (13) — (16).


Резистор R$ увели­ чивает входное сопротивление цепи управления тринистора ]Л5Ь когда послед­ний находится в открытом состоянии. Сопротивление резистора RQ должно обес-спечивать выполнение условия (3).

Устройство, схема которого приведена на рис. 62, воспроизводит эффект пламени свечи. К нему можно подключить обычную лампу накаливания или елочную гирлянду, при этом получается «мерцающий» свет, напоминающий свет свечи.



Рис. 62. Схема устройства, создающего эффект мерцающего света

Принцип работы устройства основан на способе питания нагрузки (лампы) в отрицательный и положительный полупериоды напряжения сети. Когда по­лярность напряжения такова, что отрицателен верхний (по схеме) провод, ток, имеющий форму полусинусоиды, протекает через диод VDs и лампу HL1 толь­ко в течение отрицательных полупериодов. При смене полярности напряжения питания (в положительные полупериоды) ток через лампу может проходить только в те полупериоды (или часть их), когда открыт тринистор VSi. Трини-етор управляется тремя релаксационными генераторами на однопереходных транзисторах VTl — VT3 (см. § 8), которые работают на немного отличающихся частотах, так что ТГ1<ТГ2<ТГЗ, где ТГ1:, ТГ2, ТГ3 — периоды следования импуль­сов генераторов на транзисторах VTlt VT2, VTZ соответственно. Период следо­вания импульсов каждого релаксационного генератора определяется соответ­ствующей цепью (14): R1C1 - для генератора на VT}, R2C2 — для генератора на VT2 и R3С3 — для генератора на VT3. Постоянные времени этих цепей дол­жны находиться в соотношении R1C1<R2C2<R3C3 и быть достаточно большими-примерно в 20... 30 раз превышать период напряжения сети, т. е. составлять 0,4 ... 0,6 с. После включения напряжения питания конденсаторы С1 — С3 через диод VD1 и соответствующие резисторы в течение положительных полуперио­дов напряжения сети начинают заряжаться. Напряжения на конденсаторах ис1 — uc3, а следовательно, и на эмиттерах однопереходных транзисторов от пе­риода к периоду постепенно нарастают, причем uС1>uс2>uс3.


Через некото­ рое число периодов напряжение uci на эмиттере VT, первым достигнет значения uс1 = UЭвкл1, транзистор VT, откроется, конденсатор Ci разрядится через цепь эмиттер — база 7 и импульсом, снимаемым с резистора R6, включится три­нистор VS{. Это может произойти в любой части положительного полупери­ода, и поэтому ток через лампу и тринистор в общем случае представляет собой часть полусинусоиды. При смене полярности питающего напряжения три­нистор закрывается, а в следующие положительные полупериоды конденсатор С, начинает вновь заряжаться. Затем через несколько периодов напряжение на конденсаторе С2 станет равным «С2 — UЭзкл2 и включится транзистор VT2. ко­торый вновь откроет тринистор VSi. Еще через некоторое число периодов ана­логично включится однопереходный транзистор VT3 и тринистор снова откро­ется.

Процесс срабатывания в определенной последовательности релаксационных генераторов и открывания тринистора во время положительных полупериодоэ напряжения ~ети будет повторяться. Подобный способ питания лампы нака­ливания создает в последний эффект «мерцающего» света.

Между анодом тринистора и нагрузкой целесообразно включить резистор (Rg на схеме), который несколько уменьшает амплитуду импульсов тока через лампу и тем самым улучшает зрительный эффект мерцания. Сопротивление этого резистора не критично и связано с мощностью используемой лампы об­ратно пропорциональной зависимостью, например при напряжении сети 220 В и мощности лампы 15 ... 40 Вт оно составляет 470 ... 270 Ом.

Релаксационные генераторы питаются положительным пульсирующим на­пряжением, снимаемым с делителя RtR5. Амплитудное значение напряжения на резисторе R5 не должно превышать междубазового напряжения однопереход­ных транзисторов (30 В). Конденсаторы Ci~C3 в эмиттерных цепях генерато­ров целесообразно выбирать одинаковой емкости, например 0,1 мкФ. Диоды VD2 — VD4 устраняют влияние выходных сигналов генераторов друг на друга.

Требования к тринистору по току и напряжению аналогичны требованиям, предъявляемым к тринисторам выключателя рис. 25,6.



Переключающее устройство (рис. 63) поочередно включает и выключает три источника света (лампы накаливания). Лампы включены в анодные цепи тринисторов и питаются однополупериодиым током. Управление тринисторам.и осуществляется амплитудно-фазовым способом (см. § 7).

После включения устройства в сеть тринисторы VS1 — VS3 остаются закры­тыми. В течение тех полупериодов напряжения сети, когда положителен верх­ний (по схеме) провод питания, конденсаторы C1 — С3 будут заряжаться через диод VD4 и соответствующие резисторы R1 — R6. Напряжения на конденсаторах постепенно возрастают, и в цепи управляющего электрода каждого из трини­сторов появится ток Iу, значение которого определяется мгновенным напряже­нием на конденсаторе и сопротивлениями соответствующих резисторов R7, R-., Ru. Из-за разброса минимального значения отпирающего тока управления от­дельных приборов первым включится тринистор, имеющий наименьшее значение тока отпирания. Пусть, например, это будет тринистор VS1, который вклю­чится, когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет значения ис1=Uу.отmin + Iу.от min R7 (здесь Uу.от min и Iу.от min — минимальные значения отпирающего напряжения и тока управления прибора VS1 соответственно). При этом загорится лампа HL}, а конденсатор С2, который уже успел зарядиться до некоторого напряжения, разрядиться через резистор R4, диод VD2 и анод­ную цепь тринистора VSi. Тринистор VSt будет открываться в течение каж­дого положительного полупериода напряжения на его аноде до тех пор, пока не включится тринистор VS3, поскольку конденсатор С3 в цепи управления этого прибора продолжает заряжаться. При открывании прибора VS3 загорится лампа HL3, а конденсатор С1 разрядится через резистор R2, диод VD1 и анод­ную цепь VS3, и таким образом, тринистор VS1 в конце очередного положи­тельного полупериода напряжения на аноде выключится и лампа HL1 погаснет, Конденсатор С2 вновь начнет заряжаться, и через некоторое время откроется тринистор VS2, загорится лампа HL2, а тринистор FS3 выключится и лампа HL2 погаснет.


Таким образом, открывающийся тринистор шунтирует цепь управле­ния ранее открытого прибора и выключает его.



Рис. 63. Схема переключателя, периодически коммутирующе­го три источника света

Процесс поочередного включения ламп HLl — HL3 — HL2 — HL1 — HL3 — HL2 и т. д. будет повторяться. Вместо ламп можно включить гирлянды, и если лам­пы гирлянд расположить так, чтобы они чередовались, то получится эффект «бегущих огней».

Емкости конденсаторов С1 — С3 выбираются в пределах нескольких десят­ков микрофарад, а зарядные сопротивления Ri, Rs, Rs — в пределах 15... 30 кОм. Резисторы R2, R4, Кб с сопротивлением несколько десятков ом ограничивают раз­рядные токи конденсаторов. Резисторы Rj, RQ, Ru определяют значения управля­ющих токов тринисторов, подбором их сопротивлений можно изменять очеред­ность включения тринисторов.

Отметим, что для получения световых эффектов могут также использоваться выключатели, схемы которых приведены на рис. 28,6 и 30.

 

23. Импульсные источники света с накопителем энергии

Принцип накопления энергии, понятие о котором было дано в § 18, позволяет от маломощного источника питания получать мощные световые вспыш­ки. На этом принципе основана работа устройства (рис. 64), создающего «мига­ющий» свет.

После включения напряжения питания на базу транзистора VT1 (через рези­стор R1) подается положительное напряжение и транзистор начинает проводить ток, заряжая конденсатор С1 по цепи: плюс источника — резистор R4 — открытый транзистор VT1 — лампа HL1 — конденсатор C1 — минус источника. Сопротивление резисто­ра R1 выбирается таким, чтобы в начальной стадии заряда конденсатора C1, когда заряд­ный ток максимален и примерно равен UПИТ/R4, лампа HLi оставалась погашенной. Напряже­ние на конденсаторе UC1 (и в точке а) нара­стает по экспоненциальному закону. Это напря­жение создает в цепи управляющего электрода тринистора VS1 ток, равный (uc1 + uл — Uу)/R2, где ил — падение напряжения на погашенной лампе HLi, а Uу — напряжение между управ­ляющим электродом и катодом тринистора.


Когда ток в цепи управления Iу становится до­статочным для открывания тринистора, послед­ний включается в проводящее состояние. При этом конденсатор С4 разряжается через лам­пу HLi, диод VDi и тринистор VS1 и лампа на короткое время загорается. Таким образом, энергия, запасенная в электриче­ском поле конденсатора, расходуется на импульсное питание нити лампы нака­ливания. Падение напряжения на диоде VDi от разрядного тока конденсатора включает переход база — эмиттер транзистора VTi в обратном направлении, и он закрывается. Сопротивление резистора R1 выбирается из условия (6), следо­вательно, когда разрядный ток конденсатора Ci становится меньше удерживаю­щего тока тринистора, последний выключается. При закрытом тринисторе вновь начинает проводить транзистор, и цикл повторяется.



Рис. 64. Схема устройства с накопительным конденсатором для создания «мигающего» света

Продолжительность интервала «включено» в этом устройстве не регули­руется. Частота вспышек практически определяется постоянной времени RiCi и сопротивлением резистора R2. Емкость конденсатора Ci выбирается в преде­лах нескольких сотен микрофарад. Напряжение питания устройства 20... 25 В. В качестве источника света можно использовать лампу накаливания на напря­жение 24... 26 В мощностью 15... 25 Вт( например, типов СМ26-15, С24-25 и др.).

Такое устройство весьма экономично, может питаться от батареи или ак­кумулятора, сохраняя работоспособность даже при значительном снижении на­пряжения питания.

Динисторы и тринисторы применяются в устройствах поджига импульсных газоразрядных ламп (например, типа ИФК-120), которые широко используют­ся в фотографии, стробоскопах, светосигнализации и т. д. Схемное выполнение устройств поджига разнообразно, однако во всех устройствах используется принцип накопления энергии.



Рис. 65. Схема генератора мощных световых импульсов

В генераторе мощных световых импульсов (рис. 65) поджиг газоразрядной лампы осуществляется от генератора импульсов на динисторе VS1, который фактически представляет собой генератор импульсов (рис. 47,а).


После включе­ния устройства в те полупериоды напряжение сети, когда положителен верх­ний (по схеме) провод питания, основной накопительный конденсатор Ci заря­жается через диод VD1 и ограничивающий резистор R1 примерно до амплитуд­ного значения напряжения сети. Одновременно через резистор R2 (сопротив­ление которого R2>R1) относительно медленно заряжается конденсатор Сг, и когда напряжение на нем достигает значения UПрк динистора VSlt послед­ний открывается. Конденсатор С2 разряжается через динистор и первичную обмотку повышающего трансформатора T1 Импульс высокого напряжения, по­являющийся на вторичной обмотке, поджигает газоразрядную лампу VL1, через которую разряжается накопительный конденсатор С1, при этом возникает мощный световой импульс. Затем цикл повторяется.



Рис. 66. Схема импульсного источни­ка света (лампа-вспышка)

Частота вспышек лампы VL1 может регулироваться резистором R2; она уменьшается при увеличении сопротивления этого резистора.

На рис. 66 показана схема лампы-вспышки, используемой в фотографии. Питание устройства производится от батареи GB1, а в генераторе поджига ис­пользован тринистор VS1. Принцип работы лампы-вспышки такой же, как и генератора световых импульсов.

После замыкания выключателя Q1 конденсатор C1 заряжается до напря­жения, равного ЭДС батареи, а конденсатор С2 — до напряжения, определяе­мого делителем R2R3. Лампа-вспышка срабатывает при кратковременном замы­кании синхронконтактов S1, включенных в цепь управления тринистора VS». При этом тринистор открывается и конденсатор С2 разряжается через него и первичную обмотку трансформатора T1, на вторичной обмотке которого возни­кает импульс высокого напряжения, поджигающий лампу VL1. Через лампу разряжается накопительный конденсатор С1, и при этом генерируется мощный световой импульс. Когда лампа погаснет, конденсаторы С1 и С2 вновь заря­жаются, и при очередном замыкании контактов S1 вспышка повторяется.

Делитель R2, R3 выбирается исходя из ЭДС используемой батареи и выб­ранного типа тринистора таким, чтобы напряжение в точке а было Ua<U3C, а его суммарное сопротивление составляло несколько сотен килоом.


Сопротив­ление резистора R4 в цепи управления выбирается из условия (8). Электриче­ская нагрузка на синхроконтакты мала, поскольку через них протекает незна­чительный ток управляющего электрода тринистора.

Емкость накопительного конденсатора С1 и напряжение, до которого он заряжается, в обоих устройствах определяют мощность вспышек. Емкость кон­денсатора С2 выбирается примерно 0,1 ... 0,5 мкФ.

 

Глава 6

 

ВЫПРЯМИТЕЛИ и РЕГУЛЯТОРЫ мощности

НА ТРИОДНЫХ ТИРИСТОРАХ

24. Выпрямительные устройства

Проводящий тринистор, как и обычный полупроводниковый диод, име­ет вентильную характеристику: он представляет небольшое сопротивление для прямого тока и весьма значительное — для обратного. Однако наличие у три­нистора третьего, управляющего, электрода придает ему свойства, которых обычный диод не имеет. Действительно, если на управляющий электрод сиг-кал не подан, то тринистор не проводит ток в обоих направлениях. Это каче­ство тринисторов позволяет создавать на их основе выпрямительные устрой­ства, обладающие свойствами, реализация которых у обычных выпрямителей затруднительна или же невозможна. Так, тринисторные выпрямители позволяют, во-первых, при необходимости автоматически отключать нагрузку и, во-вторых, плавно регулировать выходное напряжение. Тринисторные выпрямители вы­полняются по известным схемам (одно-, двухполупериодные, мостовые и т. д.), в которых диоды частично или полностью заменяются тринисторами. Описание одно- и трехфазных схем выпрямителей на тринисторах можно найти, напри­мер, в [7].

Для плавного регулирования выходного напряжения в выпрямителях ис­пользуются принципы фазового управления тринисторами, так что на регули­рование практически не затрачивается дополнительной энергии.

В двухполупериодном выпрямителе с регулируемым выходным напряже­нием (рис. 67) управление тринисторами VS1 и VS2 осуществляется импульсно-фазовым способом. Управляющие импульсы формируются релаксационным ге­нератором на однопереходном транзисторе VT1 (см.


§ 8) из каждого полупе­ риода переменного напряжения. Для открывания обоих тринисторов в разные полупериоды используется один релаксационный генератор. Генератор питается выпрямленным диодами VD1 и VD2 пульсирующим напряжением, которое ог­раничивается и стабилизируется стабилитроном VD3, и поэтому имеет трапецеи­дальную форму. После открывания соответствующего тринистора (VSi или У52) генератор шунтируется проводящим прибором и выключается. К началу каждого полупериода конденсатор Ci оказывается разряженным, и, таким об­разом, генератор синхронизируется с частотой питающей сети.

Угол отпирания тринисторов определяется постоянной времени (Ri + R2)C1, т. е. задержкой момента включения однопереходного транзистора относительно начала каждого полупериода, и может изменяться примерно от 5 до 180°. Тем самым выходное напряжение регулируется от максимального значения до нуля и имеет хорошую стабильность во всем диапазоне. Расчет релаксационного генератора производится по формулам (13) — (16).

В тринисторных выпрямителях с регулируемым выходным напряжением обычно используются фильтры, начинающиеся с индуктивности или резистора, чтобы уменьшить броски тока через открывающийся тринистор, обусловленные зарядным током конденсаторов фильтра.

Обратные напряжения на тринисторах в выпрямительных устройствах и токи, которые должны пропускать приборы, можно определять по формулам, используемым для расчета соответствующих выпрямительных схем на обычных диодах.

                              


Рис. 67. Схема тринисторного выпрямите­ля с регулируемым выходным напряжением

Рис. 68. Схема бестрансфор­маторного низковольтного три­нисторного выпрямителя

На рис. 68 показана схема бестрансформаторного однополупериодного три-нисторного низковольтного выпрямителя. Тринистор здесь выполняет две функции: служит выпрямительным элементом и стабилизирует уровень выходного напряжения. После подачи напряжения питания (220 В) в те полупериоды напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) провод питания, три-нистор VS1 открывается и выходной конденсатор С1 заряжается.


Управляющее напряжение на тринистор подается через резистор R2 и диод VD1. От этой же цепи выпрямленным однополупериодным напряжением питается транзистор VT1, который управляет работой тринистора. В эмиттерную цепь транзистора включен стабилитрон VD2, а на базу через ограничивающий резистор Rз пода­ется выходное напряжение. Пока выходное напряжение Uвых меньше напряже­ния стабилизации UСТ2 стабилитрона VD2, т. е. Uвых<Uст2, транзистор закрыт и на работу тринистора не влияет. Когда напряжение UВых становится Uвых>UCT2, транзистор открывается и шунтирует цепь управления тринистора, который остается закрытым в течение всего периода переменного напряжения, Если же выходное напряжение снижается до значения UВых<Uст2, транзистор закрывается, и при очередном положительном полупериоде напряжения сети вновь включается тринистор и выходной конденсатор С1 начинает подзаря­жаться.

Тринистор VS1 и диод VD1 должны иметь обратное напряжение не менее амплитудного значения напряжения сети питания. Напряжение стабилизации стабилитрона определяет выходное напряжение выпрямителя (обычно 10 .„ ...30 В). Резистор R1 ограничивает анодный ток тринистора и коллекторный ток транзистора до допустимого значения. Сопротивление резистора R2 рас­считывается по формуле (12). Конденсатор Ci должен иметь емкость несколько сотен микрофарад.

 

25. Регуляторы мощности

В цепях переменного тока тринисторы кроме функций простых вы­ключателей могут также одновременно выполнять функции регулирующих эле­ментов. Сравнительно простые способы управления тринисторами в цепях пе­ременного тока обусловили широкое применение этих приборов в устройствах для регулирования напряжения. Такие регуляторы, в которых используются фазовые методы управления тринисторами, позволяют в широких пределах изменять среднее значение напряжения, подводимого к нагрузке. В тринистор-ных регуляторах отсутствуют подвижные контакты, потери мощности в них минимальны, а необходимая для управления мощность не зависит от мощнос­ти, потребляемой нагрузкой.


Регуляторы просты, удобны в эксплуатации и не требуют наладки после изготовления.

При фазовом управлении тринисторы открываются и закрываются синхрон­но с переменным напряжением источника питания и подключают последний к нагрузке на определенную, регулируемую часть полупериода переменного на­пряжения, что осуществляется путем изменения угла отпирания тринистора (см. § 7), и таким образом регулируется среднее значение напряжения на на­грузке.

В регуляторе (рис. 69) используется амплитудно-фазовый способ управле­ния тринистором. Такой регулятор позволяет изменять подводимую к нагрузке мощность от половинного до почти номинального значений.



Рис. 69. Схема регулятора мощ­ности на тринисторе и диоде

В те полупериоды напряжения сети, когда положителен нижний (по схеме) провод питания, на аноде тринистора VSi действует положительное напряжение и конденсатор C1 заряжается через сопро­тивление нагрузки Rн и резисторы R1 и R2. При полностью включенном резисторе R2 напряжение на конденсаторе C1 к концу по­лупериода не должно превышать неотпи­рающего напряжения управления тринисто­ра, т. е. uc1<Uу.нот. В эти полупериоды тринистор остается закрытым, и ток через нагрузку и диод VD1 протекает только в те полупериоды напряжения сети, когда поло­жителен верхний (по схеме) провод пита­ния. При этом к нагрузке подводится по­ловинная мощность, что при напряжении сети 220 В эквивалентно снижению на­пряжения на нагрузке примерно до 160 В.

Если резистор R2 закорочен, то продолжительность заряда конденсатора С1 определяется резистором R1. Сопротивление этого резистора должно быть таким, чтобы конденсатор зарядился до напряжения, равного напряжению от­пирания тринистора uc1>Uу.oт в начале полупериода. Тринистор VS{ откры­вается и проводит ток почти в течение всего положительного полупериода на­пряжения на аноде. Теперь через нагрузку ток протекает в оба полупериода к к ней подводится почти номинальная мощность.



Значение среднего тока тринистора VS1 и диода VD1 должно быть не ме­нее 0,32 UmlRm. В регуляторе можно использовать тринистор с ненормируемым обратным напряжением. Прямое напряжение тринистора в закрытом состоя­нии, а также обратное напряжение диода должны быть не менее амплитудного значения напряжения сети Um.

Тринисторные регуляторы с амплитудно-фазовым управлением обеспечива­ют невысокую стабильность напряжения на нагрузке, что объясняется неста­бильностью угла отпирания тринистора.

Широкое распространение нашли регуляторы, использующие выключатель с диодным мостом и тринистором (рис. 25,а) и позволяющие изменять мощность в нагрузке от нуля до максимального значения. Нагрузка в регуляторах такого типа может включаться в цепь переменного или постоянного (пульсирующего) тока. Управление тринисторами осуществляется амплитудно- или импульсно-фазовым способами.

Две схемы регуляторов, основу которых составляют выключатели (рис. 25,а), показаны на рис. 70. В обоих устройствах тринисторы управляются им-пульсно-фазовым способом. В регуляторе рис. 70,а в цепи управления трини­стором используется динистор VS2 (вместо динистора можно применить стаби­литрон), а в регуляторе рис. 70,6 — однопереходный транзистор VT1. Угол от­пирания ф тринистора в каждом регуляторе определяется интервалом времени от начала положительного полупериода напряжения на его аноде до момента, когда экспоненциально нарастающее напряжение на конденсаторе C1 становится достаточным для срабатывания ключевого прибора в цепи управления. Таким образом, тринистор можно включать в течение какой-то части каждого полупе­риода переменного напряжения.



Рис. 70. Схемы регуляторов мощности с диодным мостом и тринистором и клю­чевыми приборами в цепи управления: динистором (а), однопереходным тран­зистором (б)

Регулятор (рис. 70,а) работает следующим образом. После подачи на­пряжения питания (замыкания выключателя Q1) в те полупериоды напряжения сети, когда положителен верхний (по схеме) провод питания, конденсатор С, заряжается через цепь: сопротивление нагрузки RН, диод VD3, резисторы R1, R2 и диод VD2. Когда напряжение на С1 достигнет значения, равного UПрк ди­нистора VS2, последний откроется, конденсатор разрядится через динистор и цепь управляющего электрода тринистора VS1, который при этом включится.


После открывания тринистора напряжение сети, за вычетом падения напряжения на открытом тринисторе и диодах VD2 и VD3, включенных в прямом направле­нии, окажется приложенным к нагрузке. В конце полупериода тринистор закры­вается и ток в нагрузке становится равным нулю. В следующий полупериод ока­зывается положительным нижний провод питания; теперь конденсатор С1 за­ряжается через диод KD4, резисторы R1, R2, диод VD1, сопротивление нагруз­ки Rн, и процессы в регуляторе повторяются.

Момент открывания тринистора, т. е. значение угла ф, определяется по­стоянной времени (Ri + R2)Ci и напряжением переключения динистора. Угол отпирания ф можно регулировать переменным резистором R2 в течение каждо­го полупериода напряжения сети питания примерно от 10 до 170° и, таким образом, плавно изменять подводимую к нагрузке мощность почти от нуля (резистор R2 полностью включен) до номинального значения (резистор R2 за­корочен).

При открывании тринистора последний шунтирует свою цепь управления, предотвращая бесполезное рассеивание мощности на ее элементах.

Аналогично работает и регулятор с однопереходным транзистором (рис. 70,6), обеспечивающий значительно лучшую стабильность напряжения на на­грузке. Конденсатор С1 времязадающей цепочки релаксационного генератора на однопереходном транзисторе (см. § 8) заряжается напряжением, которое ста­билизировано стабилитроном VD5. Мощность, подводимая к нагрузке, регули­руется резистором R5 примерно в тех же пределах, что и в предыдущем ус­тройстве.

Рассмотренные тринисторные регуляторы, как правило, используются для уменьшения напряжения на нагрузке, номинальное напряжение которой долж­но быть не менее напряжения питающей сети, и обычно применяются в устрой­ствах для изменения яркости ламп, для плавного регулирования мощности эле­ктронагревательных элементов, в цепях питания электродвигателей и т. д.

В отличие от ранее рассмотренной схемы рис. 69 в последних двух регу­ляторах тринистор имеет одинаковые углы отпирания в обоих полупериодах и поэтому в нагрузке протекает ток симметричной формы (без постоянной со­ставляющей).



Форма напряжения на нагрузке в тринисторном регуляторе в общем слу­ чае представляет собой усеченную синусоиду, поэтому при работе регулятора (особенно на активную нагрузку) возникают интенсивные гармоники часто­ты сети. Для предотвращения проникновения в сеть гармонических составля­ющих ставятся LC-фильтры.

Рассмотрим тринисторный регулятор числа оборотов электродвигателя. Универсальные электродвигатели с последовательным возбуждением широко ис­пользуются в различного рода электроинструментах, миксерах, пылесосах м во многих других устройствах. Плавное регулирование числа оборотов тако­го электродвигателя с одновременной автоматической стабилизацией их при выбранном режиме работы может производиться с помощью тринисторного ре­гулятора, схема которого приведена на рис. 71.

Основу регулятора составляет тринистор, управляемый амплитудно-фазо­вым способом. Тринистор VSi включен последовательно с двигателем MI, ко­торый, таким образом, питается однополупериодным током. Принцип действия регулятора основан на сравнении противо-ЭДС «д, возникающей на зажимах двигателя из-за остаточной намагниченности и пропорциональной скорости вра­щения вала, с опорным напряжением Uon. В регуляторе осуществляется выде­ление разностного сигнала uу = Uоп — uд, который используется для фазового управления тринистором, что и обеспечивает возможность регулирования мощ­ности, подводимой к электродвигателю.

Опорное напряжение U0n определяется положением движка переменного резистора R2. Из-за диода VD1 ток через резисторы R1 — R3 протекает лишь пол­периода, и напряжение иоп достигает амплитудного значения в момент, когда напряжение питающей сети проходит через максимум. Если остаточная проти­во-ЭДС uд двигателя больше, чем амплитудное значение Uon (т. е. если ско­рость вращения превышает некоторое установленное значение), то диод VDS оказывается включенным в обратном направлении (Uоп — uд<0) и сигнал аз управляющий электрод тринистора VSi не поступает.


Прибор остается закры­тым, следовательно, напряжение питания на двигатель в данный полупериод; не подается. Когда скорость вращения двигателя снизится настолько, что про­тиво-ЭДС станет меньше, чем Uоп (т. е. иоп — uд>0), диод VD2 ока­жется включенным в прямом на­правлении и на управляющий элек­трод тринистора поступит отпира­ющий сигнал. Тринистор откроет­ся, и напряжение питания, соот­ветствующее данному полуперио­ду, будет подано на двигатель.

Наибольший угол отпирания тринистора в этом регуляторе со­ставляет ф = 90°, при этом к дви­гателю подводится наименьшая мощность. Если нагрузка на вал двигателя возрастает, так что ско­рость вращения и противо-ЭДС снижаются, то тринистор отпирается с меньшей задержкой, увеличивая, таким образом, подводимую к двигателю мощность.



Рис. 71. Схема регулятора — стабили­затора скорости двигателя

Следует заметить, что в случае небольшой нагрузки на вал и при поло­жении потенциометра R2, соответствующем малой скорости двигателя (крайнее нижнее по схеме), последний за четверть периода (ф = 90°), в течение которого к нему подводится мощность, может сильно увеличить свою скорость. В даль­нейшем пройдет много периодов, прежде чем скорость двигателя снизится до установленного значения и тринистор вновь сможет открыться. В результа­те нарушается заданный режим работы, появляется характерный шум «кача­ния» двигателя. Для устранения этого нежелательного эффекта необходимо уменьшить интервал времени, в течение которого мощность подводится к двига­телю, т. е. сделать угол отпирания ф>90°. Как ранее указывалось, это реализу­ется с помощью фазосдвигающей RС-цепи. В рассматриваемом регуляторе в схему добавляется конденсатор С1 (емкостью порядка нескольких микрофарад), и тогда напряжение на движке резистора R2 будет сдвинуто по фазе на угол, определяемый постоянной времени цепи (R1+R2+R3)C1 относительно напряже­ния сети.

Сопротивление резистора R1 выбирается из условия (12) для получения не­обходимого управляющего тока при наибольшей мощности, подводимой к дви­гателю.Суммарное сопротивление резисторов R1+R2 должно обеспечить нужный ток управления при наименьшей подводимой к двигателю мощности. Выключа­тель Si позволяет отключить регулятор от двигателя.

В заключение отметим, что в рассмотренном устройстве тринистор выпол­няет несколько функций: во-первых, ключа «включено» — «выключено», во-вторых регулятора мощности, поступающей к двигателю, и, в-третьих, исполни­тельного элемента в цепи обратной связи, стабилизирующей скорость двига­теля.

 


Содержание раздела

---

---