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无线电电子与电气工程百科全书 有趣的实验：晶闸管家族。 无线电电子电气工程百科全书
您经常可以在流行的无线电工程杂志中听到甚至读到“晶闸管”一词。 这是一个半导体器件。 但不幸的是，这样的设备并不存在，因为晶闸管是一类设备。 它包括二极管（二极管晶闸管）、三极管（三极管）和双向可控硅（对称三极管）。 我们将在有趣的实验过程中了解它们。 让我们从 恐龙. 晶闸管类的每个半导体器件都是由几层组成的“馅饼”，这些层形成交替 pn 结的半导体结构。 dinistor 有 1 个这样的转变（图 XNUMX），但结论仅从极端区域（p 和 n）得出。 具有 n 型导电性的“饼”晶体的表面通常焊接到外壳的底部 - 这是 dinistor 的阴极，并且通过玻璃绝缘体从晶体的相反表面进行输出 - 这是阳极。
从外观上看，该二极管（KN102 系列的字母索引为 AI，其类似物的名称为 2H102 很常见）与 D226 系列的整流二极管没有什么不同。 与二极管的情况一样，正电源电压施加到二极管的阳极，负电源电压施加到阴极。 并且一定要在二极管电路中包含负载：电阻器、灯、变压器绕组等。 如果平稳地增加电压，通过 dinistor 的电流最初会略有增加（图 2）。 迪尼斯特实际上已关闭。 这种状态将一直持续到dinistor两端的电压等于导通电压Uon，此时，四层结构中开始出现类似雪崩的电流增长过程，dinistor进入开路状态。 它两端的电压降急剧下降（这可以在特性上看到），并且通过 dinistor 的电流现在将由负载电阻决定，但它不应超过最大允许 Iopen max。对于 KN102 系列的所有 dinistor ，该电流为 200 mA。
dinistor开通时的电压称为导通电压（Uon），该值对应的电流就是开通电流（Ion），对于每个diistor，开通电压都不同，例如：对于 KN102A - 20 V，对于 KN102I - 150 V。该系列所有电阻器的相同接通电流为 5 mA。 直到通过它的直流电流超过最小允许电流Iud（称为保持电流）之前，diistor可以处于开路状态。 二极管特性的反向支路与传统二极管的相同支路相似。 提供给 dinistor 的反向电压高于允许的 Uobr.max。 可以禁用它。 对于所有恐龙和 Uobr.max。 为 10 V，而电流 Iobr.max。 不超过0,5mA。 现在您已经熟悉了 dinistor 的一些参数，您可以组装两个发电机并用它们进行实验。 闪光发生器（图 3）。 它可以让您获得白炽灯的闪光。 当发电机的插头X1插入市电插座时，电容器C1开始充电（仅在正半周）。 充电电流受电阻R1限制。 一旦其上的电压达到二极管的开启电压，电容器将通过它和EL1灯放电。 尽管电容器上的电压远高于灯的工作电压（8V）（2,5倍！），但它不会烧坏，因为放电电流脉冲的持续时间太短。
电容器放电后，二极管将关闭，电容器将重新开始充电。 很快就会出现一个新的闪光，然后是下一个，依此类推。根据图中所示的详细信息，每 0,5 秒就会出现一次闪光。 将电阻器更换为另一个电阻器（例如电阻较小的电阻器）。 闪光频率将会增加。 如果电阻更大，它会减小。 通过减小电容器的电容或增大电容器的电容，将获得类似的结果。 回到原来的发生器电路，安装一个额外的电容C2（可以是纸或氧化物），容量为几个微法，电压至少为400V。闪光将消失。 解决方案很简单。 当该电容器不存在时，电阻器如图 3 所示。 市电电压的1个半周期，即从零变化到最大幅值。 因此，在对电容器C2放电后，在某个点（当正弦波过零时）通过dinistor的电流下降到零并且dinistor关闭。 连接电容器CXNUMX后，电路中电阻器左输出端的电压已经变成脉动，因为电容器开始充当半波整流器的滤波器，并且其两端的电压不会降至零。 因此，在打开二极管和灯第一次闪光后，有小电流继续流过它，超过了保持电流。 恐龙不关闭，发电机不工作。 确实，可以通过增加电阻器的电阻来使发生器工作（并且您可以验证这一点），但随后闪烁的情况就太少了。 要提高闪光频率，请尝试减小电容器C1的电容值。 将会发生以下情况：电容器存储的能量不足以维持闪光灯的足够亮度。 除了图中所示的以外，该设备中的主器还可以是 KN102B。 电容器 C 1 - 任何类型的氧化物，额定电压至少为 50 V，二极管 - 电流至少为 50 mA，反向电压至少为 400 V，电阻器 - 功率至少为 2 W ，一盏灯 - 工作电压为 2,5 V，电流为 0,26 A。 音频发生器（图 4）。 其电路与前一种类似，但将白炽灯换成更高电阻的负载——TON-2（BF1）耳机，将其胶囊从头带上取下（也可以不取下）并串联起来。 充放电电容器 (C2) 的电容显着减小，因此生成信号的频率增加（高达 1000 Hz）。 二极管电路中的限流电阻（R2）的阻值也增大了。
其余元件是半波整流器，其中电容器C1对整流电压进行滤波，电阻器R1有助于降低VD1二极管两端的反向电压。 如果使用 45 ... 60 V 的交流电压为发电机供电，则不需要电阻器 R1。 电容器 C1 可以是纸质电容器，例如 MBM，C2 - 电压至少为 50 V 的任何类型，二极管 - 允许反向电压至少为 400 V 的任何类型。 一旦X1插头插入电源插座，耳机中就会出现某种音调的声音。 将电容器 C2 替换为另一个更小的电容，声音的音调将会增强。 如果安装较大的电容器，手机会听到较低的音调。 通过改变电阻器 R2 的阻值将获得相同的结果 - 检查这一点。 应当指出的是，目前所生产的微电路具有接近于微电路的特性，并且在某些情况下可以替代微电路（参见《无线电》，1998年，第5期，第59-61页）。 最后，关于安全的几句话。 用发电机进行实验时，不要触摸X1插头与网络连接的部件的端子，不要触摸耳机，更不要戴在头上，所有焊接或连接部件，请将结构断电并对电容器进行放电（用镊子或一根安装线）。 晶闸管类的下一个半导体器件是三极管。 它与 dinistor 的主要区别在于存在一个附加输出，称为控制电极 (GE)，来自四层结构的过渡之一（图 5）。 是什么得出这个结论呢？
假设控制电极没有连接到任何地方。 在该实施例中，三极管保留了三极管的功能，并在达到阳极电压Uon时导通（图6）。
但是，当导通电压降低时，值得向控制电极相对于阴极施加至少一个小的正电压，从而使直流电流通过控制电极-阴极电路。 电流越大，开启电压越低。 最小的导通电压将对应于某个最大电流Iu.e，这称为整流电流——直接支路被整流得如此之大，以至于它变得类似于二极管的同一支路。 打开（即断开）SCR 后，控制电极失去其特性，并且可以通过将直流电流降低到低于保持电流 Isp 或短暂关闭电源电压（短路）来关闭 SCR。 - 阳极与阴极的长期短路是可以接受的）。 三极管既可以通过控制电极通过的直流电打开，也可以通过脉冲电流打开，允许的脉冲持续时间为百万分之一秒！ 每个三极管（您通常会遇到 KU101、KU201、KU202 系列三极管）都有参考书中给出的某些参数，通常根据这些参数为组装结构选择三极管。 首先，这是闭合状态下允许的正向正向电压（Upr），以及恒定反向电压（Uobr）——并非对所有三极管都有规定，在没有这样的数字的情况下，不希望施加反向电压该三极管的电压。 下一个参数是在特定允许外壳温度下开路状态下的直流电流 (Ipr)。 如果三极管加热到更高的温度，则必须将其安装在散热器上 - 这通常在设计说明中报告。 同样重要的是保持电流 (Iud) 等参数，它表征控制信号移除后 SCR 保持导通的最小阳极电流。 还协商了控制电极电路的限制参数 - 最大开启电流 (Iу.ot) 和电流不超过 Iу.ot 时的恒定开启电压 (Uу.ot)。 当操作 KU201、KU202 系列三极管时，建议在控制电极和阴极之间添加一个电阻为 51 欧姆的分流电阻，尽管在实践中，在大多数情况下，即使没有电阻，也能观察到可靠的操作。 对于这些三极管来说，一个更重要的条件是阳极上有负电压，不允许提供控制电流。 现在我们将进行一些实验，以更好地了解三极管的工作原理及其控制特点。 储备一个三极管，比如 KU201L，一个微型 24 V 白炽灯，一个负载电流为 18 ... 24 A 的 0,15 ... 0,17 V 直流电压源，以及一个来自旧接收器的 12 ... 变压器，或者带有两个 14 V 次级绕组、电流高达 6,3 A 的磁带录音机，串联连接）。 如何打开三极管（图 7）。 按图示将可变电阻R2置于下方，然后将三极管上的级联连接至直流电源。 按下 SB1 按钮，将可变电阻滑块平稳地向上移动到电路上，直到 HL1 灯亮起。 这将表明三极管已打开。 您可以松开按钮，灯将继续发光。
要关闭三极管并使其恢复到原来的状态，只需短时间关闭电源即可。 灯将关闭。 再次按下按钮，即可打开三极管并点亮灯。 现在尝试用另一种方式来熄灭它——释放按钮，关闭一会儿，比如用镊子，阳极和阴极引线，如图所示。 7 虚线。 要测量三极管的开通电流，请在控制电极开路（A点）打开毫安表，然后将可变电阻滑块从下位置平稳地移动到上位置（按下按钮），等到灯被点燃。 毫安表的箭头将固定所需的电流值。 或者您想知道三极管的保持电流是多少？ 然后将B点开路的毫安表接通，并串联一个可变电阻（标称2,2或3,3kOhm），首先要输出其阻值。 在三极管打开的情况下，增加附加电阻的阻值，直到毫安表指针跳回到零。 此时之前的毫安表读数就是保持电流。 三极管由脉冲控制（图 8）。 通过去掉可变电阻并引入容量为 1 或 0,25 微法的电容器 C0,5，稍微改变三极管级联。 现在，恒定电压没有施加到控制电极，尽管三极管并没有因此变得不可控制。
向级联施加电源电压后，按下按钮。 电容器C1几乎立即充电，其充电电流以脉冲形式流过电阻器R2和并联的控制电极。 但即使是这样的短期冲动也足以让三极管打开。 灯将亮起，并且与前一种情况一样，即使释放按钮后也将保持此状态。 电容器将通过电阻器 R1、R2 放电，并为下一个电流脉冲做好准备。 现在取一个容量至少为 2 微法的氧化物电容器 C100，暂时将其以适当的极性连接到三极管的阳极和阴极端子。 充电电流脉冲也将通过电容器。 结果，三极管将被分流（指示的结论是封闭的），当然，它会封闭。 功率调节器中的三极管（图9）。 SCR 根据控制电极的电流在不同阳极电压下打开的能力被广泛应用于改变流过负载的平均电流的功率调节器中。
要熟悉三极管的这一“专业”，请根据图中所示的部件组装一个布局。 在全波整流器中，单独的二极管和现成的二极管电桥（例如KTs402、KTs405系列）都可以工作。 正如你所看到的，整流器输出端没有滤波电容——这里不需要。 为了对级联中发生的过程进行可视化控制，请将示波器并联连接到在自动（或待机）模式下运行并具有内部同步的负载（HL1 灯）。 按图示将可变电阻R2的滑块拨至上方位置（输出电阻），向二极管电桥施加交流电压。 按 SB1 按钮。 灯立即亮起，示波器屏幕上出现正弦波半周期的图像（图a），这是全波整流的特点，无需平滑电容器。 松开按钮，灯就会关闭。 一切都是正确的，因为一旦正弦电压过零，三极管就会关闭。 如果在整流输出端加装滤波氧化电容，则不会让整流电压降至零（该选项的电压形状如图中虚线所示），按下按钮后灯也不会熄灭。发行了。 再次按下按钮，将可变电阻滑块平稳地向下移动到电路中（输入电阻）。 灯的亮度将开始降低，并且“半正弦波”的形状将变形（图b）。 现在，通过控制电极的电流与原始值相比减少，因此，三极管在较高的电源电压（即半正弦波的一部分）下打开，三极管保持闭合。 由于这会减少通过灯的平均电流，因此其亮度会降低。 随着电阻器的进一步移动，这意味着控制电流减小，只有当电源电压几乎达到其最大值时，三极管才能打开（图c）。 随后通过控制电极的电流减小将导致三极管不打开。 正如您所看到的，通过改变控制电流，从而改变控制电极上的电压幅度，可以将负载功率控制在相当宽的范围内。 这就是控制三极管振幅法的本质。 如果需要获得大的控制极限，则使用相位方法，其中控制电极上的电压的相位与阳极电压的相位相比发生变化。 切换到这种控制方法并不困难——在控制电极和三极管阴极之间连接一个容量为1…100微法的氧化物电容器C200就足够了。 现在，三极管将能够在阳极电压的小幅值下打开，但已经在每个半周期的后“一半”中打开（图 d）。 因此，通过负载的平均电流的变化限制以及负载上释放的功率将显着扩大。
三极管模拟。 碰巧无法购买所需的三极管。 它可以成功地被由两个不同结构的晶体管组装而成的模拟所取代。 如果向晶体管VT2的基极施加正（相对于发射极）电压，则晶体管将轻微打开，并且晶体管VT1的基极的电流将流过它。 该晶体管也会轻微打开，这将增加晶体管VT2的基极电流。 晶体管之间的正反馈将导致它们雪崩开路。 根据最大负载电流和电源电压选择模拟晶体管。 模拟和三极管的控制转换仅提供正极性的电压（或脉冲信号）。 如果在所设计的器件的工作条件下可能出现负信号，则应保护控制电极，例如通过打开二极管（阴极 - 到控制电极，阳极 - 到三极管阴极）。 晶闸管系列的最后一款器件是双向可控硅（图 11），对称 晶闸管。 与三极管一样，它采用类似的封装制成，具有相同的阳极、控制电极和阴极端子。 三端双向可控硅开关具有复杂的多层结构，具有电子-空穴跃迁。 从其中一个转换中，产生控制输出 (UE)。
由于该结构的两个极端区域具有相同类型的导电性，因此，在三端双向可控硅开关元件的电极上存在适当电压的情况下，电流脉冲可以在两个方向上通过它。 您在业余无线电练习中必须遇到的常见三端双向可控硅开关元件是 KU208 系列。 作者：B.Ivanov
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