Схема триггера на логических элементах: Справочник “Цифровые Интегральные Микросхемы”

Справочник “Цифровые Интегральные Микросхемы”

Справочник “Цифровые Интегральные Микросхемы” [ Содержание ]

---

2.5.1. RS-триггеры

RS-триггер – это триггер с раздельной установкой состояний логического нуля и единицы (с раздельным запуском). Он имеет два информационных входа S и R. По входу S триггер устанавливается в состояние Q=l (/Q=0), а по входу R – в состояние Q = О (/Q = 1).

Асинхронные RS-триггеры. Они являются наиболее простыми триггерами. В качестве самостоятельного устройства применяются редко, но являются основой для построения более сложных триггеров. В зависимости от логической структуры различают RS-триггеры с прямыми и инверсными входами. Их схемы и условные обозначения приведены на рис. 2.37. Триггеры такого типа построены на двух логических элементах: 2 ИЛИ-НЕ – триггер с прямыми входами (рис. 2.37, а), 2 И-НЕ – триггер с инверсными входами (рис. 2.37, б). Выход каждого из логических элементов подключен к одному из входов другого элемента, что обеспечивает триггеру два устойчивых состояния.

Рис. 2.37. Асинхронные RS-триггеры: а – RS-триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ и условное обозначение; б – RS-триггер на логических элементах И-НЕ и условное обозначение.

Состояния триггеров под воздействием определенной комбинации входных сигналов приведены в таблицах функционирования (состояний) (табл. 2.18).

Таблица 2.18. Состояния триггеров.

Входы		Выходы
S	R	Логика И-НЕ		Логика ИЛИ-НЕ
		Qn+1	/Qn+1	Qn+1	/Qn+1
0	0	X		Qn	/Qn
1	0	0	1	1	0
0	1	1	0	0	1
1	1	Qn	/Qn	X

В таблицах Qn (/Qn) обозначены уровни, которые были на выходах триггера до подачи на его входы так называемых активных уровней. Активным называют логический уровень, действующий на входе логического элемента и однозначно определяющий логический уровень выходного сигнала (независимо от логических уровней, действующих на остальных входах). Для элементов ИЛИ-НЕ за активный уровень принимают высокий уровень – 1, а для элементов И-НЕ – низкий уровень – О. Уровни, подача которых на один из входов не приводит к изменению логического уровня на выходе элемента, называют пассивными. Уровни Qn+1(/Qn+1) обозначают логические уровни на выходах триггера после подачи информации на его входы. Для триггера с прямыми входами при подаче на вход комбинации сигналов S=1, R=0 на выходе получим Qn+1=1 (/Qn+1=0). Такой режим называют режимом записи логической единицы.

Если со входа S снять единичный сигнал, т. е. установить на входе S нулевой сигнал, то состояние триггера не изменится. Режим S=0, R=0 называют режимом хранения информации, так как информация на выходе остается неизменной.

При подаче входных сигналов S=0, R=1 произойдет переключение триггера, а на выходе будет Qт+1=0 (/Qn+1=1). Такой режим называют режимом записи логического нуля (режим сброса). При S=R=1 состояние триггера будет неопределенным, так как во время действия информационных сигналов логические уровни на выходах триггера одинаковы (Qn+1=/Qn+1=0), а после окончания их действия триггер может равновероятно принять любое из двух устойчивых состояний. Поэтому такая комбинация S=R=1 является запрещенной.

Для триггера с инверсными входами режим записи логической единицы реализуется при /S=0, /R=1, режим записи логического нуля – при /S=1, /R=0. При /S=/R=1 обеспечивается хранение информации. Комбинация входных сигналов /S = /R = 0 является запрещенной.

Микросхема ТР2 включает четыре асинхронных RS-триггера, причем два из них имеют по два входа установки /S. Управляющим сигналом является уровень логического нуля (низкий уровень), так как триггеры построены на логических элементах И-НЕ с обратными связями (т. е. входы инверсные статические). Установка триггера в состояние высокого или низкого уровня осуществляется кодом 01 или 10 на входах /S и /R со сменой кода информации. Если на входах /S1 = /S2 = /R = 0, то на выходе Q появится напряжение высокого уровня – 1. Однако это состояние не будет зафиксировано, «защелкнуто»; если входные уровни 0 убрать, на выходе Q появится неопределенное состояние. При подаче на входы /S1 = /S2 = R = 1 напряжение на выходе останется без изменения. Достаточно на одном из входов /S триггера установить низкий уровень напряжения – 0, а на входе /R высокий уровень напряжения – 1, и триггер установится в состояние высокого уровня Qn+1 = 1. Табл. 2.19 дает состояния одного из триггеров микросхемы TP2.

Таблица 2.19.
Состояния триггера ТР.

Входы				Выход
/S1	/S2	/S	/R	Qn+1
1	1	1	1	Qn
0	1	0	1	1
1	0
0	0
1	1	1	0	0
0	1	0	0	1*
1	0
0	0

Примечание: 1* – неустойчивое состояние, может не сохраняться после снятия “0” со входов /S и /R.

Временные диаграммы его работы, а также цоколевка представлены на рис. 2.38

Рис. 2.38. Условное обозначение, цоколевка и временные диаграммы работы микросхем типа ТР.

Основные параметры приведены в табл. 2.20б.

Синхронные RS-триггеры. Триггерные ячейки – это основа делителей частоты, счетчиков и регистров. В этих устройствах записанную ранее информацию по специальному сигналу, называемому тактовым, следует передать на выход и переписать в следующую ячейку. Для осуществления такого режима в RS-триггер необходимо ввести дополнительный вход С, который может быть статическим или динамическим, т. е. получим синхронный RS-триггер.

Схема синхронного RS-триггера на логических элементах И-НЕ со статическим управлением записью (вход С – статический) и его условное обозначение приведены на рис. 2.39, а.

Рис. 2.39. Синхронные RS-триггеры: а – синхронный RS-триггер на элементах И-НЕ и условное обозначение;
б – синхронный RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ и условное обозначение.

Элементы DD1.1 и DD1.2 образуют схему управления, а элементы DD1.3 и DD1.4 – асинхронный RS-триггер. Иногда такой триггер называют RST-триггером (если вход С считать тактовым входом Т).

Триггер имеет прямые статические входы, поэтому управляющим сигналом является уровень логической единицы.

Если на вход С подать сигнал логической единицы C=1, то работа триггера аналогична работе простейшего асинхронного RS-триггера. При C=0 входы S и R не оказывают влияние на состояние триггера. Комбинация сигналов S=R=C=1 является запрещенной. Табл. 2.21 отражает состояния такого триггера.

Синхронный RS-триггер, выполненный на элементах ИЛИ-НЕ, будет иметь инверсные статические входы (рис. 2.39,б). Его функционирование будет определяться таблицей состояний при /C=0 (табл. 2.22). Запрещенной комбинацией входных сигналов будет комбинация /S=/R=/C=0.

Таблица 2.21. Состояния триггера Входы Выходы S R C Qn+1 /Qn+1 0 0 0 Qn /Qn 1 0 1 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 X

Таблица 2.22. Состояния триггера Входы Выходы /S /R /C Qn+1 /Qn+1 1 1 1 Qn /Qn 0 1 1 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 X

Синхронный RS-триггер с динамическим управлением записью функционирует согласно сигналам, которые были на информационных входах S и R к моменту появления перепада на входе С. Схема такого триггера, его условное обозначение даны на рис. 2.40.

Рис. 2.40. Синхронный RS-триггер с динамическим управлением на логических элементах И-НЕ и условное обозначение.

Элементы DD1.1 … DD1.4 образуют схему управления, а DD1.5 и DD1.6 – асинхронный RS-триггер, выполняющий роль элемента памяти. У данного триггера входы /S и /R инверсные статические (управляющий сигнал – уровень логического нуля), вход С – прямой динамический. Новое состояние триггера устанавливается положительным перепадом напряжения (от уровня логического нуля до уровня логической единицы) на входе С в соответствии с сигналами на информационных входах /S и /R. Функционирование триггера при некоторых комбинациях входных сигналов можнопроследить с помощью таблицы состояний (табл. 2.23).

Таблица 2.23.

Входы			Внутренние выходы				Выходы
/S	/R	C	A1	A2	A3	A4	Q	/Q
1	1	X	0	1	1	0	0	1
0	1	X	1	1	1	0	0	1
0	1	_/	1	0	1	0	1	0
1	0	_/	1	0	1	1	1	0
1	0	X	0	1	1	1	1	0
1	0	_/	0	1	0	1	0	1

Синхронный двухступенчатый RS-триггер (master-slave, что переводится «мастер-помощник») состоит из двух синхронных RS-триггеров и инвертора, рис. 2.41, а. Входы С обоих триггеров соединены между собой через инвертор DD1.1. Если C=1, то первый триггер функционирует согласно сигналам на его входах S и R. Второй триггер функционировать не-может, т. к, у него C=0. Если C=0, то первый триггер не функционирует, а для второго триггера C=1, и он изменяет свое состояние согласно сигналам на выходах первого триггера.

Рис. 2.41. Синхронный двухступенчатый RS-триггер: a – схема триггера на логических элементах И-НЕ;
б – условное обозначение и временные диаграммы тактового импульса.

На рис. 2.41, б показано, что двухступенчатым триггером управляет полный (фронтом и срезом) тактовый импульс С. Если каждый из триггеров имеет установку положительным перепадом, то входная RS-комбинация будет записана в первую ступень в момент прихода положительного перепада тактового импульса С. В этот момент во вторую ступень информация попасть не может. Когда придет отрицательный перепад тактового импульса С, на выходе инвертора DD1.1 он появится как положительный. Следовательно, положительный перепад импульса /С перепишет данные от выходов первого триггера в триггер второй ступени. Сигнал на выходе появится с задержкой, равной длительности тактового импульса.

Очень часто необходимо использовать триггер для деления частоты входной последовательности импульсов на два, т. е. производить переключение триггера в новое состояние каждым входным импульсом (фронтом или спадом). Такой триггер называют счетным, или T-триггером (от англ. Toggle). Он имеет один управляющий вход Т. В сериях выпускаемых микросхем T-триггеров нет. Но триггер такого типа может быть создан на базе синхронного RS-триггера с динамическим управлением, если прямой выход Q соединить с инверсным входом /S, а инверсный выход /Q соединить с инверсным входом /R. На вход синхронизации С подать входную последовательность импульсов (т. е. это будет T-вход). На рис. 2.42 показана схема такого триггера и временные диаграммы его работы.

Рис. 2.42. T-триггер, его обозначение и временные диаграммы.

Аналогичным образом Т-триггер может быть собран на синхронном двухступенчатом RS-триггере.

---

НОУ ИНТУИТ | Лекция | Последовательностные функциональные узлы. Триггеры

Аннотация: Рассматривается принцип действия триггеров как простейших элементов электронной памяти.

Цифровое устройство называется последовательностным [1, с.91], если его выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени. Поэтому говорят, что такие функциональные узлы “обладают памятью”.

Триггер – это логическая схема с положительной обратной связью, которая может находиться только в одном из двух устойчивых состояний, принимаемых за состояние логического нуля и логической единицы.

В отличие от всех рассмотренных ранее комбинационных схем, работа которых определяется только входными сигналами, состояние триггера в текущий момент зависит и от его состояния в предыдущий момент времени. Иными словами, триггер – это схема с запоминанием [2].

RS-триггеры

Простейшая функциональная схема RS – триггера в базисе ИЛИ-НЕ приведена на рис. 7.1,а. Здесь (от англ. Reset – сброс) – вход сброса триггера в состояние логического нуля, S (от англ. Set – устанавливать) – вход установки триггера в логическую единицу, – прямой выход триггера (состояние считается для триггера единичным, а противоположное, при , – нулевым), – инверсный выход триггера.

Рис. 7.1. RS-триггер в базисе ИЛИ-НЕ: а – функциональная схема; б – УГО

Очевидно, при наличии двух входных сигналов, возможны 4 варианта работы схемы (табл. 7.1). Начнем анализ с состояний, когда на один из входов подается решающий для элемента ИЛИ-НЕ сигнал логической 1.

Первая такая комбинация: , . является для логического элемента ИЛИ-НЕ решающим сигналом, который переключит нижний элемент схемы на рис. 7.1,а в логический , поэтому . Комбинация и переключит верхний элемент ИЛИ-НЕ в 1: . Таким образом происходит установка триггера – его переключение в единичное состояние.

Вторая комбинация: , . Решающий для ИЛИ-НЕ сигнал переключит выход в нулевое состояние, а сочетание и обеспечит переключение инверсного выхода в состояние . Триггер сброшен – то есть пришел в устойчивое нулевое состояние.

Если на оба входа подать , то состояние триггера будет определяться значениями и , поскольку логический 0 не является решающим для элемента ИЛИ-НЕ. Допустим, ранее триггер был установлен: то есть и . Тогда решающий сигнал будет через положительную обратную связь подан на нижний элемент ИЛИ-НЕ и состояние будет подтверждено. На входы верхнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов и , поэтому состояние прямого выхода триггера будет подтверждено. Если же триггер был сброшен, то есть было и , тогда решающий сигнал бу дет через положительную обратную связь подан на верхний элемент ИЛИ-НЕ и состояние будет подтверждено. На входы нижнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов и . Таким образом, триггер хранит ранее записанную информацию.

Рассмотрим последнюю, четвертую комбинацию входных сигналов: , . На входы обоих логических элементов ИЛИ-НЕ поданы решающие сигналы логической единицы, поэтому на выходах обоих элементов будут логические нули, то есть и . Если теперь одновременно подать , то за счет положительных обратных связей на оба логических элемента будут поданы 0, поэтому на выходах ИЛИ-НЕ установятся две решающие логические единицы, которые будут стремиться перевести выход другого ИЛИ-НЕ в логический 0. Кто победит в этом “поединке”, зависит от того, в каком из элементов ИЛИ-НЕ переходный процесс закончится раньше. Допустим, в верхнем элементе процесс завершится раньше, тогда подается на вход нижнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению . Таким образом, происходит сброс три ггера. Если же процесс завершится раньше в нижнем элементе, тогда подается на вход верхнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению . Происходит установка триггера. Для пользователя ситуация оказывается непредсказуемой, поскольку определяется разбросом параметров транзисторов, на базе которых выполнены логические элементы, входящие в триггер. В этой связи комбинация приводит к недопустимому неустойчивому состоянию триггера. Она может применяться только при строгой очередности снятия сигналов и .

Для рассматриваемой схемы характерно также и то, что оба элемента триггера переключаются не одновременно, а последовательно друг за другом. Поэтому в ходе переходного процесса переключения триггера в противоположное состояние будут моменты времени, когда и на прямом, и на инверсном выходах будут одинаковые уровни. Это недопустимо по определению, поскольку триггер должен быть либо в устойчивом состоянии логического ( и ), либо в устойчивом состоянии логической ( и ). Поскольку решающим для элементов ИЛИ-НЕ является сигнал логической единицы, в УГО входные управляющие сигналы и являются прямыми.

Функциональная схема простейшего триггера в базисе И-НЕ показана на рис. 7.2.а. Поскольку для функции И-НЕ решающим является сигнал логического нуля, активный уровень входных сигналов будет нулевым (табл. 7.2), что отражается на УГО триггера (рис. 7.2,б) в виде инверсного изображения входов и .

Рис. 7.2. RS-триггер в базисе И-НЕ: а – функциональная схема; б – УГО

Синхронный RS-триггер

Основное назначение триггера в цифровых схемах – хранить выработанные логическими схемами результаты. Для отсечения еще не установившихся, искаженных переходными процессами результатов между выходом какой-либо логической схемы и входами триггера ставят ключи в виде элементов И-НЕ. Действие этого сигнала аналогично разрешающему сигналу в схеме дешифратора (рис. 4.2 в “Функциональные узлы комбинаторной логики. Дешифраторы” ). На первый и второй логические элементы И-НЕ одновременно поступает синхросигнал (рис. 7.3,а). При неактивном уровне на выходах первого и второго логических элементов И-НЕ будет логическая . Она не является решающей для функции И-НЕ, поэтому триггер на третьем и четвертом элементах будет хранить записанную ранее информацию. Таким образом, триггер не реагирует на изменения входных сигналов при . Если же синхросигнал становится активным ( ), то схема пропускает все переключения входных сигналов и (табл. 7.3). Поскольку входные ключи производят инверсию входных сигналов и , активным их уровнем будет логическая (рис. 7.3,б).

Рис. 7.3. Синхронный RS-триггер: а – функциональная схема; б – УГО

Недостатком схемы остается наличие недопустимой комбинации на входе, при которой получается неустойчивое состояние схемы.

мир электроники – Триггеры на логических элементах

 материалы в категории

Триггер на логических элементах

Собсна гря про триггеры (в том числе и триггеры на транзисторах) уже вкратце было рассказано в отдельной статье, здесь-же немного по-подробнее и о том как сделать триггер из “подручных” базовых элементов.

Итак:

Триггер – это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия. Триггер еще можно назвать устройством с обратными связями. На рисунке изображена схема триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.

Такая схема называется асинхронным RS-триггером. Первый (сверху) выход называется прямым, второй – инверсным. Если на оба входа (R и S) подать лог. нули, то состояние выходов определить невозможно. Триггер установится как ему заблагорассудится, т. е. в произвольное состояние. Допустим, на выходе Q присутствует лог. 1, тогда на выходе не Q (Q с инверсией) обязательно будет лог. 0. И наоборот. Чтобы установить триггер в нулевое состояние (когда на прямом выходе лог. 0, на инверсном – лог. 1) достаточно на вход R подать напряжение высокого уровня.
Если высокий уровень подать на вход S, то это переведет его в состояние 1, или как говорят, в единичное состояние (на прямом выходе лог. 1, на инверсном – лог. 0). И в том, и в другом случаях напряжение соответствующего уровня может быть очень коротким импульсом – на грани физического быстродействия микросхемы. То есть, триггер обладает двумя устойчивыми состояниями, причем эти состояния зависят от ранее воздействующих сигналов, что позволяет сделать следующий вывод –триггер является простейшим элементом памяти. Буквы R и S по-буржуйски set – установка, reset – сброс (предустановка). На рис. 2 RS-триггер показан в “микросхемном исполнении”.

 

RS-триггер можно соорудить и на элементах И-НЕ, как показано на рисунке 3. Такая конструкция встречается тоже довольно часто:

Принцип работы такой же, как у триггера на элементах ИЛИ-НЕ, за исключением инверсии управляющих сигналов, т. е. установка и сброс триггера производится не лог. 1, а лог. 0. Другими словами, входы такого триггера инверсные. В описанных триггерах изменение состояния происходит сразу после изменения состояния на входах R и S. Поэтому такие триггеры называются асинхронными.

Если схему асинхронного триггера немного дополнить, то получим вот такое:

В таком триггере вводится дополнительный вход С, называемый тактовым или синхронизирующим. Изменение состояний триггера происходит при подаче сигналов лог. 1 на входы R и S и последующим воздействием на вход С тактового (синхронизирующего) импульса. Если на тактовый вход импульс не воздействует, то состояние триггера не изменится. Другими словами, изменение состояния триггера происходит под действием синхроимпульса, поэтому такие триггеры называются синхронными.

D-триггер

D-триггер отличается от синхронного RS-триггера тем, что у него только один информационный вход D. D-триггер показан на рисунке:

Если на вход D подать логическую единицу, затем на вход С подать импульс, то на выходе Q (прямой выход) установится лог. 1. Если на вход D подать лог. 0, на С импульс, то на Q установится лог. 0. Т. е. D-триггер осуществляет задержку информации, поступающей на вход D. При чем эта информация хранится в D-триггере, пока не придет следующий бит (0 или 1) информации. По сути это ячейка памяти.

Если вход D замкнуть с инверсным выходом, то останется только один вход С. При подаче на вход С импульса триггер переключится, т. е. если на выходе был лог. 0, то станет лог. 1. При следующем импульсе триггер снова переключится, т. е. лог. 1 сменится лог. 0. Таким образом, триггер осуществляет деление частоты входных импульсов на 2 (ведь уровень сигнала на выходе меняется в два раза реже). В таком режиме D-триггер называют счетнымили Т-триггером. Этот режим (режим деления частоты) используется довольно широко.

Нетрудно заметить, что для RS-триггера (рис. 1) существует запрещенная комбинация, когда на оба входа поданы лог. 1, на его выходах также устанавливаются лог. 1 и триггер перестает выполнять свои функции (зависает). Поэтому придумали так называемый JK-триггер. У него три входа – J, K, C. Вход J вместо R, вход К вместо S, С так и остается – синхронизацией. Если на вход J подана лог. 1, на К – лог. 0 или наоборот, то он работает как синхронный RS-триггер, если на оба входа J и К поданы лог. 1, то он работает как счетный Т-триггер.

Триггер Шмитта на логических элементах

Триггер Шмитта – это специфический вид триггера, имеющего один вход и один выход. Такой триггер Еще называют нессиметричным. В триггере Шмитта переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется при определенных уровнях входного напряжения, называемых пороговыми уровнями. Триггер Шмитта изображен ниже.

 

Если на вход триггера Шмидта подавать нарастающее напряжение (нижний график), то при некотором уровне U_п1 в момент t₁ напряжение на выходе скачком переходит из состояния 0 в состояние 1. Если уменьшать напряжение на входе до некоторого напряжения U_п2 в момент t₂ напряжение на выходе скачком переходит из состояния 1 в состояние 0. Явление несовпадения уровней U_п1 и U_п2 называется гистерезисом. Соответственно, передаточная характеристика триггера Шмитта обладает гистерезисным характером. Триггер Шмитта, в отличие от других триггеров, не обладает памятью и используется для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

Примечание: основной материал взят с сайта naf-st.ru

 

Триггеры

 

1.6.  Триггеры

Триггеры имеют два устойчивых состояния. Эти состояния определяются по логическим уровням на выходах триггера. Триггер снабжается двумя выходами: прямым Q и инверсным  Q. Состояние триггера определяет логический уровень на выходе Q. Говорят, что триггер находится в состоянии логической единицы, если на выходе Q уровень напряжения, соответствующий логической единице.

Триггеры могут иметь входы различного типа:

R (от англ. RESET) – раздельный вход установки в состояние 0;

S (от англ. SET) – раздельный вход установки в состояние 1;

К – вход установки универсального триггера в состояние 0;

J – вход установки универсального триггера в состояние 1;

V – вход разрешения;

С – синхронизирующий вход;

D – информационный вход;

Т – счетный вход

 и некоторые другие.

Обычно название триггера дают по имеющимся у него входам: RS-риггер, JK-триггер, D-триггер   и др.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах состояние на выходе изменяется сразу же после изменения сигнала на информационных входах. В синхронных триггерах для передачи сигнала с информационных входов на выходы требуется специальный синхронизирующий импульс. Синхронные триггеры подразделяются на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. В триггерах с динамическим управлением передача сигнала с информационных входов на выходы осуществляется по фронту или по спаду синхронизирующего импульса.

Триггеры относятся к цифровым автоматам. В отличие от комбинационных схем состояние на выходе триггера в данный момент времени определяется  не только состояниями на входах триггера в этот же  момент времени, но и предыдущим состоянием триггера. Цифровые автоматы, к которым относятся триггеры, иногда называют последовательными схемами.

Триггеры строились по самым разнообразным электрическим схемам. В последнее время триггеры обычно конструируют, используя логические элементы.

Рассмотрим два варианта  RS-триггера: RS-триггер с прямыми входами и RS-триггер с инверсными входами. Установка триггера в нужное состояние осуществляется подачей уровня логической «1» на соответствующий вход для триггера с прямыми входами и подачей сигналов  логического «0»  для триггера с инверсными входами.

Наибольшее распространение получили RS-триггеры, построенные на логических элементах 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ. На рисунке 1.36,а приведена функциональная схема RS-триггера с инверсными входами на двух логических элементах 2И-НЕ, а на рисунке 1.36,б – его условное обозначение на принципиальных схемах.

RS- триггер с прямыми входами можно получить, имея в наличии два логических элемента 2ИЛИ-НЕ. Триггер получается путем соединения выхода первого логического элемента с одним из входов второго и соединения выхода второго логического элемента с одним из входов первого. Как видно из получившейся схемы (рис. 1.37,а), по отношению к логическим элементам  триггер симметричен. По этой причине не имеет принципиального значения, выход какого из элементов считать прямым выходом триггера. Допустим, что прямым выходом триггера является верхний вывод. Определим, какой из входов триггера является входом R, а  какой – входом  S. Вспомним, что активным  логическим  уровнем для  элементов ИЛИ-НЕ является уровень логической единицы, т.е. если на входе элемента 2ИЛИ-НЕ действует логическая «1», то на выходе будет «0». Зная, что вход R – это вход установки триггера в нулевое состояние, приходим к выводу, что входом R в данном случае будет верхний вход RS-триггера. Функциональная схема RS-триггера с прямыми входами на двух логических элементах 2ИЛИ-НЕ и его условное обозначение на принципиальных схемах приведены соответственно на рисунках 1.37а,б.

Работу RS-триггера можно описать различными способами: аналитически с помощью формулы; с помощью таблицы, в которой записываются состояния на входах и выходах триггера в различные моменты времени;  с помощью временных диаграмм. На временной диаграмме показывают, как меняются сигналы на выходах триггера при изменении сигналов на его входах.

 

Рассмотрим временную диаграмму работы RS-триггера с прямыми входами. Для RS-триггера нужно показать 4 графика (рис. 1.38). Пусть на входах R и S установлены пассивные для элементов ИЛИ-НЕ уровни логического нуля (пассивные логические уровни не могут изменить состояние триггера) и пусть триггер находится в единичном состоянии, т.е. на выходе Q уровень логической единицы. Подадим на вход R в момент времени t₁ уровень логической единицы. Для анализа работы RS-триггера, как и любого цифрового устройства, воспользуемся понятием активного логического уровня. Это существенно облегчает анализ работы схемы. Если на одном входе логического элемента действует активный логический уровень, то нет необходимости анализировать логические состояния на других входах элемента. Т.к. в момент времени t­₁ на входе R элемента DD1.1 действует активный логический уровень, то на выходе этого элемента, как следует из таблицы истинности, будет уровень логического нуля. На входах Х1 и Х2 элемента DD1.2 уровни логического нуля и, следовательно, на выходе этого элемента уровень логической единицы. Мы видим, что состояние триггера изменилось с единичного на нулевое. В момент времени t₂ установим на входе R уровень логического нуля. На входе Х2 элемента DD1.1 уровень логической единицы и поэтому состояние триггера не изменится: на выходе Q логический нуль, а на выходе Q – логическая единица. В момент времени t₃ на входе S установим уровень логической единицы, т.е. на входе Х2 элемента DD1.2 будет активный логический уровень и на выходе этого элемента установится уровень логического нуля. На входах Х1 и Х2 элемента DD1.1 будут уровни логического нуля, а на выходе этого элемента – уровень логической единицы. Триггер перешел из нулевого состояния в единичное. В момент времени t₄ подадим на вход S уровень логического нуля и, проведя аналогичный анализ, увидим, что состояние триггера в момент времени t₄ не изменится. В момент времени_{t5 подадим на вход S уровень логической единицы. Проведя аналогичный анализ, увидим, что состояние триггера не изменилось: на прямом выходе Q – уровень логической единицы, а на инверсном – уровень логического нуля. В момент времени t6 установим уровень логической единицы на входе R. В этом случае на выходе Q появится уровень логического нуля, и уровень логического нуля останется на выходе Q. В момент времени t7 установим на входах R и S одновременно уровень логического нуля. Состояние триггера в этом случае будет неопределенным. Может оказаться, что на выходе Q логическая единица, а на выходе Q логический нуль, или наоборот. Поэтому в устройствах цифровой техники одновременную подачу активных логических уровней на входы R и S триггера запрещают. Такой запрет делают не потому, что триггер выйдет из строя, а потому, что состояние триггера неоднозначно после одновременного снятия уровней логической единицы на входах R и S.  В момент времени t8 подадим на вход R  напряжение логической единицы, в результате чего на прямом выходе триггера получим напряжение логического нуля.}

Рассмотренные триггеры относятся к так называемым асинхронным триггерам. В асинхронных триггерах состояние на выходе изменяется в момент поступления сигналов  на информационные входы. В синхронных триггерах для передачи сигнала с информационных входов на выход  требуется специальный синхронизирующий импульс.

Синхронные триггеры подразделяются на триггеры со статическим управлением и  триггеры с динамическим управлением. В триггерах с динамическим управлением передача сигналов с  информационных входов на выходы осуществляется  либо по фронту синхронизирующего импульса, либо по спаду синхронизирующего импульса.

На рисунках 1.39,а,в приведены функциональные схемы синхронного RS-триггера с прямыми входами, а условное обозначение этих триггеров на принципиальных схемах показано на рисунке 1.39,б.

Рассмотрим функциональную схему синхронного RS-триггера, приведенную на рисунке 1.39а. При С=0  на входах R, S  асинхронного триггера на

элементах DD1.1 и  DD1.2 действуют сигналы логического нуля (логический нуль является пассивным логическим уровнем для логических элементов 2ИЛИ-НЕ), поэтому при любых комбинациях сигналов на входах R, S синхронного RS-триггера состояние триггера не меняется. При С=1 рассмотренный синхронный RS-триггер работает точно так же, как рассмотренный чуть раньше асинхронный RS-триггер с прямыми входами. Рассмотренный только что синхронный RS-триггер относится к триггерам со статическим управлением.

На рисунках 1.40,а и 1.41,а приведены функциональные схемы синхронных RS-триггеров с динамическим управлением, а их условные обозначения на принципиальных схемах соответственно на рисунках 1.40,б и 1.41,б. Если в обозначении синхронного RS-триггера с динамическим управлением стрелочка на входе С направлена к триггеру, то передача сигналов с информационных входов на выходы происходит по фронту импульса, а если стрелочка направлена от обозначения триггера, то передача сигнала осуществляется по  спаду импульса.

Рассмотрим синхронный RS-триггер с динамическим управлением, схема которого приведена на рисунке 1.40,а. Проанализировав функциональную схему синхронного RS-триггера с динамическим управлением, убедимся в том, что состояние триггера не меняется как при изменении  сигналов  на входах  S и R  при С=0, так и при С=1, если триггер переключился по фронту синхронизирующего импульса. При C=0 на выходах элементов DD2.1, DD2.2 будут сигналы логической единицы, и состояние на выходе триггера изменяться не будет при любых изменениях сигналов на входах R и S. 

Установим на инверсном входе S уровень логического нуля, на инверсном входе R уровень логической единицы, и сигнал на входе С  изменим с логического нуля на логическую единицу. На выходе элемента DD2.1 появится сигнал логического нуля и триггер перейдет в единичное состояние, или состояние триггера не изменится, если он находился в единичном состоянии. Оставляя на входе С сигнал логической единицы, перевести триггер в нулевое состояние не удается.  Для перевода триггера в противоположное состояние обязательно необходимо подать синхронизирующий импульс.

 В синхронных  RS-триггерах со статическим управлением остается неоднозначность состояния на выходе триггера, если с входов  R, S одновременно убирать активные уровни сигналов. Для устранения неоднозначности в схему синхронного  RS-триггера добавляют логический элемент «НЕ». Получившийся триггер является D-триггером со статическим управлением. Функциональная схема этого триггера приведена на рисунке 1.42,а, а его условное обозначение на принципиальных схемах – на рисунке 1.42,б.

При С=0 состояние триггера изменяться не будет какой бы ни был сигнал на входе D, т.к. на выходах элементов DD2.1, DD2.2 будут сигналы логических нулей. При С=1 и D=1 на выходе элемента DD2.1 появится сигнал логического нуля, а на прямом выходе D-триггера – сигнал логической единицы. При С=1 и D=0 сигнал логического нуля появится на выходе элемента DD2.2, на инверсном выходе D-триггера установится логическая единица, а на прямом выходе –логический нуль.  Таким образом, D-триггер воспринимает информацию с входа D и передает ее на выход Q при C=1, и затем хранит ее сколько угодно долго (пока подключен источник питания) при С=0. Т.е. мы имеем ячейку памяти для хранения 1 бита информации.

На рисунке 1.43,а приведен еще один вариант схемы D-триггера со статическим управлением. Условное обозначение обоих этих триггеров одинаковое.

Временная диаграмма работы D-триггера со статическим управлением приведена на рисунке 1.44. Из диаграммы следует, что передача информации с входа D на выход Q осуществляется во время действия синхронизирующего импульса.  Счетный триггер из данного триггера путем соединения инверсного выхода с входом D получить нельзя.

Из D-триггера можно легко получить DV-триггер. Вместо логических элементов 2И-НЕ используют логические элементы 3И-НЕ и делают дополнительно вход разрешения V. Функциональная схема DV-триггера и его условное обозначение на принципиальных схемах показаны соответственно на рисунке 1.45,а-б.

Широко используют D-триггеры с динамическим управлением. В них передача информации с информационных входов на выходы осуществляется либо по фронту синхронизирующего импульса, либо по спаду синхронизирующего импульса. Функциональная схема D-триггера с передачей информации с входа на выход триггера по фронту синхронизирующего импульса приведена на рисунке 1.46,а, а его условное обозначение на принципиальных схемах – на рисунке 1.46,б.

При С=0 на выходах элементов DD1.3, DD1.4 будут сигналы логических единиц и состояние на выходе триггера не изменится при любых изменениях сигнала на входе D. Установим на входе D сигнал логической единицы и изменим на входе С сигнал с логического нуля на единицу. Перед подачей на вход С сигнала логической единицы на выходе элемента DD1.2 логический нуль, а на верхнем входе элемента DD1.3  логическая единица. При появлении на входе С логической единицы на выходе элемента DD1.3 установится логический нуль, а на прямом выходе триггера – логическая единица. Сигнал логического нуля подается с выхода элемента DD1.3 на нижний вход элемент DD1.1 и на верхний вход элемента DD1.4. Оставляя на входе С логическую единицу, изменим сигнал на входе D с логической единицы на нуль. На выходе элемента DD1.2 установится логическая единица, а сигналы на выходах элементов DD1.1, DD1.3 не изменятся, следовательно, не изменится состояние на выходе триггера.

При D=0 изменим сигнал на входе С с логической единицы на нуль. На выходах элементов DD1.3, DD1.4 будут логические единицы, а на прямом выходе триггера останется сигнал логической единицы. Затем изменим сигнал на входе С с логического нуля на логическую единицу. На выходе DD1.4 установится логический нуль, на инверсном выходе триггера логическая единица, а прямом выходе – логический нуль. Из анализа работы данного триггера следует, что в нем передача информации с входа D на выход Q осуществляется по фронту синхронизирующего импульса, подаваемого на вход С.

Триггеры являются составной частью счетчиков электрических импульсов. D-триггер с динамическим управлением легко превратить в счетный триггер. С этой целью необходимо инверсный выход триггера соединить с информационным входом D, а импульсы подавать на синхронизирующий вход. Схема такого соединения приведена на рисунке 1.46,в.

 

Находят применение двухтактные RS-триггеры (рис. 1.47,а). На рисунке 1.47,б приведена схема счетного триггера, построенного на основе двухтактного RS-триггера. Двухтактный RS-триггер состоит из двух триггеров: главного и вспомогательного. Иногда главный триггер называют ведущим, а вспомогательный ведомым. По окончании синхронизирующего (тактового) импульса вспомогательный триггер переписывает информацию с выхода главного триггера. Используя двухтактные RS-триггеры, можно построить JK-триггер. В JK-триггере устранена неопределенность, возникающая в RS-триггере при одновременном снятии активных логических сигналов с входов R и S.

Функциональная схема JK-триггера, построенного с использованием  двухтактных (двухступенчатых) RS-триггеров, приведена на рисунке 1.48,а, а его условное обозначение на принципиальных схемах – на рисунке 1.48,б.

 

В условных обозначениях триггеров, построенных с использованием двухтактного синхронного RS-триггера, ставят две буквы Т. Если входы J и K данного триггера соединить вместе и подать на них сигнал логической единицы, а импульсы подавать на вход С, то получим счетный триггер.

 Широкое распространение получили JK-триггеры, построенные с использованием синхронных RS-триггеров с динамическим управлением. На рисунке 1.49,а приведена функциональная схема JK-триггера, переключающегося по спаду синхронизирующего импульса, а условное обозначение этого триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 1.49,б. Элементы DD1.1, DD1.2 образуют асинхронный RS-триггер.

Функциональная схема JK-триггера, переключающегося по фронту синхронизирующего импульса, показана на рисунке 1.50,а, а условное обозначение приведено на рисунке 1.50,б. При С=0 на выходах элементов DD2.1 и DD2.2 логические единицы и состояние RS–триггера DD3 не изменяется. Если на инверсных входах J и K логические единицы, то переключение сигнала  на входе С с логического нуля на логическую единицу не изменит состояние на выходе JK–триггера.

На рисунке 1.50,в приведена схема использования JK-триггера в качестве счетного. На входы J и K подаются логические нули, а импульсы подаются на вход С. Вход С в данном случае является счетным входом Т. Частота импульсов на выходе данного счетчика в два раза меньше частоты импульсов на входе. Скважность импульсов на выходе счетчика равна двум независимо от скважности импульсов на входе счетчика.

Напомним, что триггеры относятся к цифровым автоматам. Цифровые автоматы состоят из комбинационных схем. Триггеры входят в состав счетчиков электрических импульсов, регистров, запоминающих устройств. Один из универсальных сдвиговых регистров рассмотрен в главе 2. Перейдем к рассмотрению счетчиков и запоминающих устройств.

 

 

Схемотехника КМОП триггеров заказных БИС – Компоненты и технологии

Триггеры в ИС образуют большой класс элементов памяти (ЭП). В отечественных учебниках по микроэлектронике [1, 2] в основном представлены триггеры для биполярной технологии. В данной статье рассмотрены основные схемотехнические особенности построения КМОП-триггеров, широко используемые при проектировании современных ИС.

Схемотехника однотактных КМОП-триггеров БИС

Триггеры — это устройства, имеющие два устойчивых состояния, которые устанавливаются при подаче соответствующей комбинации сигналов на управляющие входы и сохраняются в течение заданного времени после окончания их действия. Базовым элементом является D-триггер и его разновидности, остальные виды триггеров, например JK, строятся на основе традиционных методов объединения логических вентилей.

Для построения вентилей в КМОП-схемах в основном используются три вида схемотехники: статическая, cинхронизируемая динамическая и проходная.

В зависимости от типов компонент запоминания, используемых в триггерах, они разделяются на статические, динамические и совмещенные — статико-динамические. Если состояние триггера зависит от поступления синхронизирующего сигнала, то такой триггер относят к синхронным. В асинхронных триггерах переключение происходит при поступлении на управляющие входы соответствующей комбинации входных сигналов. В БИС наибольшее распространение получили синхронные триггеры.

В статических ЭП занесенная информация может сохраняться сколь угодно долго. Основой статического ЭП является бистабильная ячейка, образованная перекрестным объединением инвертирующих логических элементов. Динамические ЭП содержат один логический элемент и дополнительный компонент запоминания по принципу накопления заряда со схемами записи.

Триггеры, синхронизируемые уровнем сигнала, могут изменять свое состояние в течение действия синхронизирующего импульса C при поступлении информационных сигналов на вход D. В момент паузы при изменении уровня синхронизирующего сигнала C их состояние не зависит от уровней входных сигналов. Обозначение триггера показано на рис. 1а, а временнбя диаграмма его работы показана на рис. 1б. Такие триггеры в зарубежной литературе называют «защелка» (latch), в отечественной — однотактный D-триггер или D-триггер, тактируемый уровнем синхросигнала.

Рис. 1. а) Обозначение D-триггера; б) временные диаграммы работы триггера, тактируемого уровнем сигнала

D-триггер, синхронизируемый уровнем синхросигнала в КМОП-схемах, строится на основе мультиплексора (MUX) и бистабильной ячейки памяти (рис. 2а). Мультиплексор представляет собой связку проходных ключей, построенных параллельным соединением p— и n-канальных МОП-транзисторов (рис. 2б, в).

Рис. 2. Одноступенчатый D-триггер: а) вентильная реализация одноступенчатого D-триггера; б) обозначение мультиплексора на логическом уровне; в) мультиплексор на проходных ключах

D-триггеры, синхронизируемые фронтом сигнала, изменяют свое состояние при поступлении на синхровход соответствующего фронта синхросигнала — положительного либо отрицательного (рис. 3а). При статических уровнях синхросигнала состояние триггера сохраняется независимо от уровней входных сигналов. Временнбя диаграмма работы такого триггера показана на рис. 3в. Такие триггеры в отечественной литературе называют двухтактными или фронтовыми. Об этом говорят две буквы «ТТ» на условном графическом изображении (УГО). Обозначение двухтактного триггера, принятое в зарубежной литературе, показано на рис. 3б. Треугольник на УГО показывает, что триггер тактируется передним фронтом синхроимпульса.

В КМОП БИС используют ЭП на основе как простейших бистабильных ячеек, так и более сложных триггеров D-типа. Основным типом ЭП является синхронный D-триггер, тактируемый уровнем синхросигнала. Построение триггеров на основе одних лишь логических элементов 2И-НЕ в КМОП БИС малоэффективно из-за большого числа компонентов и большой площади, занимаемой на кристалле. Поэтому для использования в БИС высокой сложности используются усовершенствованные варианты электрических схем D-триггеров, тактируемых уровнем сигнала.

D-триггеры на основе двунаправленных проходных ключей

D-триггеры на основе проходных ключей наиболее распространены и полно описаны в первых отечественных справочниках по цифровым ИС, например: Шило В. Л. Популярные цифровые микросхемы. Широко использовались при разработке отечественной серии К1868 4/8-разрядных микро-ЭВМ, применяются в отечественных КМОП БМК. Для реализации таких триггеров по КМОП-технологии достаточно использования одноуровневой металлизации.

Схема D-триггера, тактируемого уровнем синхросигнала на основе двух коммутируемых двунаправленных проходных ключей (первый, входной, на транзисторах VT1, VT2; второй, обратной связи, на транзисторах VT3, VT4), показана на рис. 4а. Транзисторы VT1-VT4 образуют мультиплексор, инверторы D1 и D2 — бистабильную ячейку.

Рис. 4. D-триггер, тактируемый уровнем синхросигнала, на основе двух коммутируемых проходных ключей: а) двухфазное тактирование; б) однофазное тактирование

Преимущество проходного ключа на комплементарных транзисторах заключается в том, что ключ управляется сигналами противоположной полярности, поэтому импульсы помех могут взаимно компенсироваться. Следовательно, триггеры на таких ключах обладают высокой помехоустойчивостью. Проходные ключи входят в состав ИС серии К590, К591, К176, К561 и др.

Для тактирования используется двухфазная синхронизация C, NC. Допустим, что на вход C подан высокий уровень сигнала, на вход NC — низкий. Тогда входной ключ открыт и передает сигнал со входа D через инвертор D1 на выход Q – в инверсной форме, далее через инвертор D2 поступает на выход Q в прямой форме. При этом ключ обратной связи закрыт и отключает инвертор D2 от узла A и тем самым разрывает обратную связь в бистабильной ячейке D1 и D2. D-триггер находится в режиме передачи сигнала.

При изменении фазы синхросигналов C, NC на противоположную входной ключ закрывается и изолирует узел A от входа D. На паразитной емкости узла A сохраняется последнее значение уровня сигнала входа D. Одновременно открывается ключ обратной связи, и инверторы D1 и D2 образуют бистабильную статическую ячейку, в которой запоминается уровень сигнала узла A. Триггер переходит в режим хранения сигнала. Возможно упрощение схемы D-триггера путем исключения ключа обратной связи.

На рис. 4б представлен D-триггер, тактируемый уровнем на проходных ключах (вариант). По принципу работы схема аналогична приведенной на рис. 4а. Она представлена в виде, удобном для топологической реализации на кристалле. Геометрические размеры всех p-МОП-транзисторов берутся равными: длина канала (L) — 5 мкм; ширина канала (W)— 12 мкм. Для n-МОП-транзисторов: L = 5 мкм; W = 8 мкм.

D-триггеры на основе динамических ключей

D-триггеры на основе динамических ключей аиболее полно описаны в монографии [3]. Широко используются в современных быстродействующих КМОП ИС по субмикронной технологии. Схема D-триггера на основе двух синхронизируемых динамических ключей-инверторов (первый, входной, на транзисторах VT1-VT4, второй, обратной связи, на транзисторах VT5-VT8), с использованием двухфазной синхронизации C, NC, показана на рис. 5а.

Рис. 5. D-триггер на основе динамических ключей: а) базовый вариант; б) реализация триггера в схемотехническом редакторе Sedit САПР Tanner EDA; в) формирователь фаз; г) условное графическое обозначение

Допустим, на вход С подан высокий уровень сигнала, на вход NC — низкий. При этом транзисторы VT2, VT3 открыты, первый ключ функционирует как обычный инвертор, и входной сигнал со входа D передается через узел A и логический элемент D1 на выход Q в прямой форме. В этом режиме транзисторы VT6, VT7 закрыты и изолируют транзисторы VT5, VT8 ключа обратной связи от узла A. При изменении фазы синхросигналов (С — на низкий, NC — на высокий) транзисторы VT2, VT3 закрываются и отключают входной ключ от входа D, а в узле А на паразитной емкости сохраняется последний уровень сигнала. При этом транзисторы VT6, VT7 включаются, и ключ обратной связи вместе с логическим элементом D1 образуют бистабильную статическую ячейку, в которой запоминается уровень сигнала в узле А, и D-триггер переходит в режим хранения.

На рис. 5б представлена реализация триггера в схемотехническом редакторе Sedit САПР Tanner EDA. Из технической документации на топологический редактор LEdit САПР Tanner EDA следует, что динамически синхронизируемые ключи-инверторы используются в топологических библиотеках фирмы Orbit Semiconductor для реализации КМОП ИС по 2 мкм-проектным нормам с n-карманом с 2-уровневой металлизацией и фирмы Hewllet Packard для реализации КМОП ИС с 0.5 мкм-проектными нормами с 3-уровневой металлизацией.

Активным уровнем синхросигнала GB, передаваемого по тактовой синхролинии, является низкий уровень, поэтому в триггер введен формирователь фаз (рис. 5в), а синхровход на условном графическом обозначении рис. 5г помечен на входе инвертирующим кружком. Рис. 5г следует читать так: выходные сигналы триггера меняются по низкому уровню синхросигнала GB на входе.

С целью сокращения компонентов в схеме в качестве инвертора обратной связи возможно применение статического инвертора (транзисторы VT5, VT6 (рис. 6)).

Рис. 6. D-триггер на основе динамических ключей (с использованием одного статического инвертора)

Однако в такой схеме для переключения из состояния низкого уровня в состояние высокого уровня (на выходе D-триггера) необходимо, чтобы транзисторы VT1, VT2 были способны переключить ток, отдаваемый включенным транзистором VT6, и наоборот, для этого транзисторы VT1-VT4 имеют размеры больше, чем у VT5, VT6.

На рис. 7 показан D-триггер на основе динамических ключей с асинхронным входом очистки Clb. Для организации асинхронного сброса (сигнал Clb, активным является сигнал низкого уровня) в базовый вариант введен логический элемент 2И-НЕ. Наличие логического нуля на входе Clb независимо от уровня сигнала на другом входе даст логическую единицу на выходе QB, а ее инверсия будет получена на выходе Q (инвертор на транзисторах T11, T14) независимо от уровня синхросигнала на затворах транзисторов T12, T13, то есть триггер «сбросится» асинхронно. Введение в схему асинхронного сброса потребовало дополнительный инвертор на входе информационного сигнала Data. Из этого триггера достаточно просто сделать триггер с асинхронным входом установки (Preset, Set). Нужно лишь заменить QB на Q, а Q на QB и отказаться от дополнительного инвертора на входе Data.

Рис. 7. D-триггер на основе динамических ключей с асинхронным входом очистки (сброса) Clb

Схемотехника двухтактных КМОП триггеров БИС

В микропроцессорных БИС, тактируемых фронтом, наиболее употребляемой структурой ЭП является MS (master/slave — ведущий/ведомый). Она предполагает последовательное соединение двух D-триггеров, тактируемых уровнем синхросигнала. В дальнейшем эти триггеры будем называть двухтактными. Фаза тактирования первого триггера (ведущего M) противоположна фазе тактирования второго (ведомого S).

На рис. 13 приведена схема D-триггера, тактируемого срезом синхросигнала. На рис. 14 приведена электрическая схема двухтактного D-триггера (разряд счетчика без занесения данных), включенного по схеме счетного T-триггера, используемого, например, в двоичных четырехразрядных счетчиках. Для данного триггера предусмотрен вспомогательный асинхронный вход Reset (активным является сигнал высокого уровня), предназначенный для сброса триггера в состояние логического нуля. Логическая единица на входе Reset сформирует на выходе логического элемента 2ИЛИ-НЕ независимо от уровня сигнала на другом входе логический ноль.

Рис. 13. Статический D-триггер, тактируемый фронтом (срезом) синхросигнала: а) электрическая схема; б) схема подключения; в) графическое обозначение

Рис. 14. Электрическая схема статического двухтактного D-триггера с асинхронным входом Reset, включенного по схеме счетного T-триггера

Литература

1. Прянишников В. А. Электроника: Полный курс лекций: Учебник для вузов. СПб. 2003.
2. Основы микроэлектроники: Учебное пособие для вузов / Н. А. Аваев, Ю. Е. Наумов, В. Т. Фролкин. М.: Радио и связь. 1991.
3. Емельянов В.А. Быстродействующие цифровые КМОП БИС. Минск: Полифакт. 1998.

Т-триггер

Т триггер довольно сложное устройство. Он изменяет свое состояние на противоположное после подачи каждого очередного импульса. Зачастую его используют в счетчиках, поэтому его иногда называют счетным триггером.

Его схема сложнее чем схемы других триггеров и состоит из девяти логических элементов. Схема этого устройства с диаграммой работы приведена ниже:

Как видно из схемы элементы Е6 и Е7 создают главный триггер (обозначенный на схеме как ГТ), а элементы Е1 и Е2 – дополнительный (обозначенный на схеме как ДТ). Как видим Т триггер имеет только один вход Т и имеет такой алгоритм работы:

Пусть выходы основного и дополнительного триггеров имеют следующие состояния =0, Q₁=1, Q=1, =0 (см. диаграмму работы выше). Пусть в определенный момент времени t1 на вход Т поступит импульс, то есть единичный сигнал. Тогда через инвертор Е5 на входы элементов Е3 и Е4 пойдет ноль, что вызовет появление единиц на входах  и . Как  мы можем видеть из таблицы истинности асинхронного R-S триггера сигналы  и Q не меняют свои значения. В то же время к элементам Е8 и Е9 от входа Т тоже подается тактовый импульс. К Е8 вдобавок еще и приходит сигнал ноль с Е2, а к Е9  с Е1 – единица. Поэтому  ГТ поменяет сигнал Q₁=0, =1. Но далее эти изменения переданы не будут, так как на Е3 и Е4 действует значение ноль с инвертора Е5. Когда же импульс Т исчезает, то ГТ свое состояние не изменит, а ДТ изменит на обратный. Это обусловлено тем, что теперь на Е3 и Е4 приходит разрешающий импульс и под действием Q₁=0, =1 эти значения появляются и на  и Q. При подаче очередного сигнала на вход Т в момент времени t2, триггер таким же образом перейдет в противоположное состояние.

Важно отметить, что на изменение состояния ГТ влияет фронт тактового сигнала, а на состояние ДТ – спад этого сигнала.

 

Работа триггера, логические элементы.

Счетный триггер.

Из триггера с двумя входами легко можно сделать счетный триггер с одним входом. Для этого два входа объеденим с помощью двух диодов. Диоды здесь необходимы для гальванической развязки.

Когда на полученный таким образом общий вход подается открывающий импульс, происходит открывание запертого транзистора, вследствии чего происходит переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое. Следующий импульс возвращает триггер в прежднее состояние. У счетного триггера, также должен быть и выход. Выход можно вывести с коллектора любого из транзисторов. В итоге, получается что на каждые два импульса поступившие на вход, мы получаем один импульс на выходе. Происходит деление любого числа поступивших импульсов на два.

Двоичная система исчисления, представляется наиболее оптимальной для цифровых электронных устройств, оперирующих информацией с помощью двух состояний уровня сигнала. Высокого – соответствующего еденице, и низкого – соответствующему нолю. Если соединить несколько счетных триггеров последовательно – получается устройство, ведущee счет в двоичном режиме исчисления(последовательный счетчик). Каждый последующий триггер, служит здесь двоичным разрядом. Разряд в двоичной системе, может иметь только два значения – 0 и 1. Условимся, что состояние каждого триггера(0 или1)будет определятся состоянием его правого каскада. Для наглядности, пусть индикация состояний будет производиться с помощью лампочек, включенных в качестве коллекторной нагрузки. Представим, что на вход расположенный с левой стороны поступило пять импульсов – пять едениц.

Первый импульс.

Число 1 на выходе в двоичной системе совпадает с еденицей в системе десятичной.

Второй импульс.

Число 10 на выходе – соответствует 2 в десятичной системе.

Третий импульс.

Число 11 в двоичной системе – 3 в десятичной.

Четвертый импульс.

Число 100 в двоичной системе – 4 в десятичной.

Пятый импульс.

Число 101 в двоичной системе – 5 в десятичной.

Таким образом осуществляется пересчет и запоминание чисел, а так же – деление частоты.

Обозначения различных разновидностей триггеров.

На электронных схемах принято графическое обозначение триггеров и других элементов логики, в виде условных прямоугольников с входами и выходами.

R – S триггеры.

R – S триггер это самая простая схема, с описании ее работы как раз, и начинается эта страница. Она имеет два входа R (reset)- установки в состояние 0 и S(set) – установки в состояние 1. Выходов тоже два, но основным считается выход-Q.

D – триггеры.

Для использования триггеров в реальных счетных устройствах, необходимо иметь возможность дополнительного управления их состояниями – предустановки, обнуления, активации с помощью счетного тактового импульса. Что бы осуществить эту операцию в схему счетного триггера добавляется еще три входа. PRESET(PR) – восстанавливает на выходе триггера состояние 1, а СLEAR(CL) – состояние 0. С помощью тактового входа Т осуществляется общая синхронизация триггера, относительно других элементов схемы счетного устройства. Импульс поступающий на счетный вход D меняет состояние триггера, только при наличии 1 на тактовом входе.

J-K – триггер.

Это наиболее универсальная разновидность триггера – “на все случаи жизни.” Такой триггер имеет целых два тактовых входа -J и K, прямыми входами являются PR и CLR. Так же, имеется счетный вход -CLOCK(CK) и два выхода, как и у других прочих подобных устройств.

В настоящее время применяются электронные триггеры, в основном – в интегральном исполнении(микросхемы)

Логические вентили(логические элементы).

Процессы, необходимые для функционирования любых технологических устройств ( в т. ч. и ПК) можно реализовать с помощью ограниченного набора логических элементов.

Буфер.

Буфер, представляет из себя усилитель тока, служащий для согласования различных логических вентилей, в особенности имеющих в своей основе разную элементную базу (ттл или КМОП).

Инвертор.

Элемент, служащий для инвертирования поступающих сигналов – логическая еденица превращается в ноль, и наоборот.

Логическая схема И.

И – элемент логического умножения. Еденица (высокий уровень напряжения) на выходе, появляется только в случае присутствия едениц, на обоих входах, одновременно.

Пример применения элемента И в реальном техническом устройстве:
По тех. заданию, механический пресс должен срабатывать, только при одновременном нажатии двух кнопок, разнесенных на некоторое расстояние. Смысл тех. задания заключается в том, что бы обе руки оператора были заняты на момент хода пресса, что исключило бы возможность случайного травмирования конечности. Это может быть реализовано как раз, с помощью логического элемента И.

Логическая схема И – НЕ.

И-НЕ – наиболее часто используемый элемент. Он состоит из логических вентилей И и НЕ, подключенных последовательно.

Логическая схема ИЛИ.

ИЛИ – схема логического сложения. Логическая еденица на выходе, появляется в случае присутствия высокого уровня(еденицы) на любом из входов.

Логическая схема ИЛИ – НЕ.

ИЛИ – НЕ состоит из логических элементов ИЛИ и НЕ, подключеных последовательно. Соответственно, НЕ инвертирует значения на выходе ИЛИ.

Логическая схема исключающее ИЛИ.

Этот вентиль выдает на выходе логическую еденицу, если на одном из входов – еденица, а на другом, ноль. Если на входах присутствуют одинаковые значения – на выходе ноль.

Триггер Шмитта(Шмидта).

Триггер Шмитта выдает импульс правильной формы, при сигнале произвольной формы на входе. Применяется для преобразования медленно меняющихся сигналов в импульсы, с четко очерчеными краями.

На главную страницу

SCR Методы включения | Запуск SCR (напряжение, температура)

В этом руководстве мы узнаем о методах включения SCR. Существует несколько методов включения SCR в зависимости от различных факторов, таких как напряжение, температура и т. Д. Мы увидим некоторые из наиболее часто используемых методов включения SCR.

Введение

Мы знаем, что SCR имеет два стабильных состояния: прямая блокировка и состояние прямой проводимости. Переключение SCR из состояния прямой блокировки (состояние ВЫКЛ) в состояние прямой проводимости (состояние ВКЛ) известно как процесс включения SCR.Это также называется запуском.

Критерии запуска SCR зависят от нескольких переменных, таких как напряжение питания, ток затвора, температура и т. Д. Существуют различные методы запуска SCR, чтобы он перешел в состояние ВКЛ. Давайте кратко обсудим некоторые методы включения SCR.

Методы включения SCR (запуск SCR)

При подаче напряжения на SCR, если анод становится положительным по отношению к катоду, SCR становится смещенным в прямом направлении.Таким образом, SCR переходит в состояние прямой блокировки. SCR можно заставить проводить, или переключение в режим проводимости выполняется любым из следующих способов.

1. Срабатывание по прямому напряжению
2. Срабатывание по температуре
3. срабатывание дв / дт
4. Срабатывание светового сигнала
5. Запуск ворот

Запуск по прямому напряжению

Один из часто используемых методов включения SCR – это увеличение напряжения между анодом и катодом.При этом ширина обедненного слоя также увеличивается на стыке J2. Это также приводит к увеличению ускоряющего напряжения неосновных носителей заряда на переходе J2. Это дополнительно приводит к лавинному пробою перехода J2 при прямом пробивном напряжении VBO.

На этом этапе SCR переходит в режим проводимости и, следовательно, через него протекает большой ток с низким падением напряжения на нем. Во время включения прямое падение напряжения на тиристоре находится в диапазоне от 1 до 1,5 В, и оно может увеличиваться с увеличением тока нагрузки.

На практике этот метод не используется, потому что он требует очень большого напряжения между анодом и катодом. А также, когда напряжение превышает VBO, он генерирует очень высокие токи, которые могут вызвать повреждение SCR. Поэтому в большинстве случаев этого типа срабатывания избегают.

Вернуться к началу

Срабатывание по температуре

Ток обратной утечки зависит от температуры. Если температура повышается до определенного значения, количество пар отверстий также увеличивается.Это приводит к увеличению тока утечки и дополнительно увеличивает коэффициент усиления по току SCR. Это запускает регенеративное действие внутри SCR, поскольку значение (α1 + α2) приближается к единице (по мере увеличения усиления по току).

Повышение температуры на переходе J2 вызывает пробой перехода и, следовательно, он становится проводящим. Это срабатывание происходит в некоторых случаях, особенно когда температура устройства выше (также называется ложным срабатыванием). Этот тип срабатывания практически не используется, поскольку он вызывает тепловой пробой и, следовательно, может быть повреждено устройство или тринистор.

Вернуться к началу

dv / dt срабатывание

В состоянии блокировки в прямом направлении переходы J1 и J3 смещены в прямом направлении, а J2 – в обратном. Таким образом, переход J2 ведет себя как конденсатор (двух проводящих пластин J1 и J3 с диэлектриком J2) из-за объемных зарядов в области обеднения. Зарядный ток конденсатора равен

.

I = C дв / дт

, где dv / dt – скорость изменения приложенного напряжения, а C – емкость перехода.

Из приведенного выше уравнения, если скорость изменения приложенного напряжения велика, это приводит к увеличению зарядного тока, которого достаточно для увеличения значения альфа. Таким образом, SCR включается без стробирующего сигнала.

Однако этого метода также практически избегают, потому что это процесс ложного включения, а также он может вызвать очень высокие всплески напряжения на тиристоре, что приведет к его значительному повреждению.

Вернуться к началу

Легкое срабатывание

SCR, включаемый световым излучением, также называется SCR, активируемым светом (LASCR).Этот тип запуска используется для преобразователей с фазовым управлением в системах передачи HVDC. В этом методе световые лучи с соответствующей длиной волны и интенсивностью могут попадать на переход J2.

Эти типы SCR представляют собой нишу во внутреннем p-слое. Следовательно, когда свет падает на эту нишу, электронно-дырочные пары генерируются в переходе J2, который обеспечивает дополнительные носители заряда в переходе, что приводит к включению SCR.

Вернуться к началу

Запуск ворот

Это наиболее распространенный и эффективный метод включения тиристора.Когда SCR смещен в прямом направлении, достаточное напряжение на выводе затвора вводит некоторое количество электронов в переход J2. Это приводит к увеличению тока обратной утечки и, следовательно, к пробою перехода J2 даже при напряжении ниже VBO.

В зависимости от размера тиристора ток затвора варьируется от нескольких миллиампер до 200 миллиампер и более. Если приложенный ток затвора больше, то в переход J2 вводится больше электронов, что приводит к переходу в состояние проводимости при гораздо более низком приложенном напряжении.

В методе запуска затвора положительное напряжение, приложенное между затвором и катодными выводами. Мы можем использовать три типа сигналов затвора для включения SCR. Это сигнал постоянного тока, сигнал переменного тока и импульсный сигнал.

Запуск затвора постоянного тока

При таком запуске между выводом затвора и катода прикладывается достаточное напряжение постоянного тока, так что затвор становится положительным по отношению к катоду. Ток затвора переводит SCR в режим проводимости. При этом на затвор подается непрерывный стробирующий сигнал и, следовательно, вызывает внутреннее рассеяние мощности (или большую потерю мощности).

Запуск по переменному току

Это наиболее часто используемый метод для приложений переменного тока, где SCR используется для таких приложений, как коммутационное устройство. При надлежащей развязке цепи питания и управления тиристор срабатывает от напряжения переменного тока со сдвигом фаз, поступающего от основного источника питания. Угол включения регулируется путем изменения фазового угла стробирующего сигнала.

Однако только одна половина цикла доступна для привода затвора для управления углом зажигания, а в следующей половине цикла между затвором и катодом прикладывается обратное напряжение.Это одно из ограничений запуска по переменному току, а также требуется отдельный понижающий или импульсный трансформатор для подачи напряжения на привод затвора от основного источника питания.

Импульсный запуск

Самый популярный метод запуска SCR – это импульсный запуск. В этом методе на затвор подается одиночный импульс или последовательность импульсов.

Основным преимуществом этого метода является то, что управление затвором является прерывистым или не требует непрерывных импульсов для поворота тиристора, и, следовательно, потери затвора уменьшаются в большей степени за счет применения одиночных или периодически появляющихся импульсов.Для изоляции привода затвора от сети используется импульсный трансформатор.

Вернуться к началу

Характеристики переключения динамического включения

Динамические процессы SCR включают процессы включения и выключения, в которых и напряжение, и токи SCR изменяются со временем. Переход из одного состояния в другое занимает конечное время, но не происходит мгновенно.

Статические или VI характеристики SCR не указывают на скорость, с которой SCR переключился в режим прямой проводимости из режима прямой блокировки.Следовательно, динамические характеристики иногда более важны, что дает характеристики переключения SCR.

Будет конечное время перехода, которое требуется SCR для перехода в режим прямой проводимости из режима блокировки, которое называется временем включения SCR. Время включения SCR Ton можно разделить на три отдельных интервала, а именно время задержки td, время нарастания tr и время расширения ts.

Время задержки (td)

Время задержки измеряется от момента, когда ток затвора достигает 90 процентов от своего конечного значения, до момента, когда анодный ток достигает 10 процентов от своего конечного значения.Он также может быть определен как время, в течение которого анодное напряжение падает с начального значения анодного напряжения Va до 0,9 ВА.

Рассмотрите рисунок ниже и обратите внимание, что до момента времени td тиристор находится в режиме прямой блокировки, поэтому анодный ток представляет собой небольшой ток утечки. Когда подается сигнал затвора (при 90 процентах Ig), ток затвора достигает 0,1 Ia, а также, соответственно, напряжение между анодом и катодом падает до 0,9 ВА.

При подаче стробирующего сигнала будет неравномерное распределение тока по поверхности катода, поэтому плотность тока на выводе затвора будет намного выше.И он быстро уменьшается по мере увеличения расстояния от ворот. Следовательно, время задержки td – это время, в течение которого анодный ток протекает в узкой области, в которой плотность тока (ток затвора) является максимальной.

Время нарастания (tr)

Это время, необходимое анодному току для повышения с 10 до 90 процентов от его конечного значения. Также называется временем, необходимым для падения напряжения прямой блокировки с 0,9 ВА до 0,1 ВА. Это время нарастания обратно пропорционально току затвора и скорости его нарастания.

Следовательно, если на затвор подаются сильные и крутые импульсы тока, время нарастания tr уменьшается. Кроме того, если нагрузка является индуктивной, это время нарастания будет больше, а для резистивных и емкостных нагрузок оно будет низким.

В это время потери при включении в тиристоре высоки из-за большого анодного тока и одновременно возникает высокое анодное напряжение. Это может привести к образованию локальных горячих точек и, следовательно, к повреждению SCR.

Время распространения (тс)

Это время, необходимое анодному току, чтобы подняться с 0.9Ia – Ia. Также время, необходимое для того, чтобы напряжение прямой блокировки упало с 0,1 ВА до его падения напряжения во включенном состоянии, которое находится в диапазоне от 1 до 1,5 вольт. За это время анодный ток растекся по всей проводящей области тринистора из узкого

проводящий регион. По истечении времени расширения через устройство протекает полный анодный ток с небольшим падением напряжения в открытом состоянии.

Следовательно, общее время включения,

Тонна = tr + td + ts

Типичное значение времени включения составляет от 1 до 4 микросекунд, в зависимости от формы волны стробирующего сигнала и параметров анодной цепи.Чтобы уменьшить время включения SCR, амплитуда импульса затвора должна быть в 3-5 раз больше минимального тока затвора SCR.

Вернуться к началу

Цепи зажигания SCR

Как мы видели выше, из различных методов запуска для включения SCR запуск по стробу является наиболее эффективным и надежным методом. Большинство приложений управления используют этот тип запуска, потому что желаемый момент поворота SCR возможен с помощью метода запуска затвора.Давайте посмотрим на различные схемы включения SCR.

Цепь срабатывания сопротивления

• В приведенной ниже схеме показано срабатывание по сопротивлению SCR, где он используется для управления нагрузкой от входного источника переменного тока. Комбинированная схема сопротивления и диода действует как схема управления затвором, чтобы переключить тиристор в желаемое состояние.
• При подаче положительного напряжения SCR смещается в прямом направлении и не проводит до тех пор, пока его ток затвора не превысит минимальный ток затвора SCR.
• Когда ток затвора применяется путем изменения сопротивления R2 таким образом, чтобы ток затвора был больше минимального значения тока затвора, SCR включается. И, следовательно, ток нагрузки начинает течь через тиристор.
• SCR остается включенным, пока анодный ток не сравняется с током удержания SCR. И он выключится, когда приложенное напряжение станет нулевым. Таким образом, ток нагрузки равен нулю, поскольку тиристор действует как разомкнутый переключатель.
• Диод защищает схему управления затвором от обратного напряжения затвора во время отрицательного полупериода входа.Сопротивление R1 ограничивает ток, протекающий через вывод затвора, и его значение таково, что ток затвора не должен превышать максимальный ток затвора.
• Это самый простой и экономичный тип запуска, но он ограничен для нескольких приложений из-за его недостатков.
• В этом случае угол срабатывания ограничен только 90 градусами. Поскольку приложенное напряжение является максимальным при 90 градусах, ток затвора должен достигать минимального значения тока затвора где-то между нулем и 90 градусами.

Сопротивление – Емкостная (RC) цепь зажигания

• Ограничение цепи срабатывания сопротивления может быть преодолено с помощью цепи срабатывания RC, которая обеспечивает управление углом зажигания от 0 до 180 градусов. Изменяя фазу и амплитуду тока затвора, с помощью этой схемы можно получить большой разброс угла зажигания.
• На рисунке ниже показана RC-цепь запуска, состоящая из двух диодов с RC-цепью, подключенной для включения SCR.
• Изменяя переменное сопротивление, угол срабатывания или зажигания регулируется в полном положительном полупериоде входного сигнала.
• Во время отрицательного полупериода входного сигнала конденсатор заряжается положительной нижней пластиной через диод D2 до максимального напряжения питания Vmax. Это напряжение на конденсаторе остается равным -Vmax, пока напряжение питания не достигнет перехода через нуль.
• Во время положительного полупериода входа тиристор становится смещенным в прямом направлении, и конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление до значения напряжения срабатывания тринистора.
• Когда напряжение зарядки конденсатора равно напряжению триггера затвора, SCR включается, и конденсатор удерживает небольшое напряжение. Следовательно, напряжение на конденсаторе полезно для запуска SCR даже после 90 градусов входного сигнала.
• В этом случае диод D1 предотвращает отрицательное напряжение между затвором и катодом во время отрицательного полупериода входа через диод D2.

Вернуться к началу

Цепь зажигания UJT

• Это наиболее распространенный метод запуска SCR, потому что длительные импульсы на затворе с использованием методов запуска R и RC вызывают большее рассеивание мощности на затворе, поэтому при использовании UJT (Uni Junction Transistor) в качестве устройства запуска потери мощности ограничиваются как он производит последовательность импульсов.
• RC-сеть подключена к выводу эмиттера UJT, который формирует схему синхронизации. Конденсатор фиксирован, в то время как сопротивление изменяется, и, следовательно, скорость заряда конденсатора зависит от переменного сопротивления, что означает, что управление постоянной времени RC.
• При подаче напряжения конденсатор начинает заряжаться через переменное сопротивление. Изменяя значение сопротивления, можно изменять напряжение на конденсаторе. Как только напряжение на конденсаторе становится равным пиковому значению UJT, он начинает проводить и, следовательно, вырабатывать импульсный выход до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не станет равным напряжению впадины Vv UJT.Этот процесс повторяется и генерирует серию импульсов на базовой клемме 1.
• Импульсный выход на базовом выводе 1 используется для включения тринистора через заданные интервалы времени.

Вернуться к началу

Выпрямитель с кремниевым управлением (SCR) | Тиристоры

Диоды Шокли и выпрямители с кремниевым управлением (SCR)

Диоды Шокли

– любопытные устройства, но их применение весьма ограничено. Однако их полезность можно расширить, оснастив их другим средством фиксации.При этом каждое из них становится настоящим усилительным устройством (хотя бы в режиме включения / выключения), и мы называем их кремниевыми выпрямителями или тиристорами.

Переход от диода Шокли к SCR достигается одним небольшим дополнением, фактически не более чем подключением третьего провода к существующей структуре PNPN: (рисунок ниже)

Кремниевый выпрямитель (SCR)

SCR Проводимость

Если затвор SCR остается плавающим (отключенным), он ведет себя точно так же, как диод Шокли.Он может фиксироваться напряжением размыкания или превышением критической скорости нарастания напряжения между анодом и катодом, как и в случае диода Шокли. Отключение достигается за счет уменьшения тока до тех пор, пока один или оба внутренних транзистора не перейдут в режим отсечки, также как диод Шокли. Однако, поскольку вывод затвора подключается непосредственно к базе нижнего транзистора, его можно использовать в качестве альтернативного средства для фиксации тиристора. При приложении небольшого напряжения между затвором и катодом нижний транзистор будет принудительно включаться результирующим током базы, что приведет к тому, что верхний транзистор будет проводить ток, который затем подает ток на базу нижнего транзистора, так что его больше не нужно активировать. напряжением затвора.Необходимый ток затвора для инициирования фиксации, конечно, будет намного ниже, чем ток через SCR от катода к аноду, поэтому SCR действительно обеспечивает некоторое усиление.

Запуск / срабатывание

Этот метод обеспечения проводимости SCR называется запуском или срабатыванием, и это, безусловно, наиболее распространенный способ фиксации SCR на практике. Фактически, тиристоры обычно выбираются так, чтобы их напряжение переключения намного превышало максимальное напряжение, которое ожидается от источника питания, поэтому его можно включить только с помощью преднамеренного импульса напряжения, приложенного к затвору.

Обратное срабатывание

Следует отметить, что тиристоры иногда могут отключаться путем прямого замыкания их выводов затвора и катода вместе или путем «обратного запуска» затвора отрицательным напряжением (относительно катода), так что нижний транзистор принудительно запускается. в отсечку. Я говорю, что это «иногда» возможно, потому что при этом весь ток коллектора верхнего транзистора шунтируется через базу нижнего транзистора. Этот ток может быть значительным, что в лучшем случае затрудняет триггерное отключение SCR.Вариант SCR, называемый тиристором с выключенным затвором, или GTO, упрощает эту задачу. Но даже с GTO ток затвора, необходимый для его выключения, может составлять до 20% от анодного (нагрузки) тока! Схематический символ GTO показан на следующем рисунке: (Рисунок ниже)

Тиристор выключения затвора (ГТО)

SCR и GTO

SCR и GTO имеют одинаковую эквивалентную схему (два транзистора, подключенных по принципу положительной обратной связи), единственные различия заключаются в деталях конструкции, разработанной для предоставления транзистору NPN большего β, чем PNP.Это позволяет меньшему току затвора (прямому или обратному) оказывать большую степень контроля над проводимостью от катода к аноду, при этом фиксированное состояние транзистора PNP в большей степени зависит от NPN, чем наоборот. Тиристор с выключенным затвором также известен под названием Gate-Controlled Switch, или GCS.

Проверка работоспособности тринистора с помощью омметра

Элементарный тест функции SCR или, по крайней мере, идентификация клеммы может быть выполнен с помощью омметра. Поскольку внутреннее соединение между затвором и катодом является одним PN-переходом, измеритель должен показывать непрерывность между этими выводами с помощью красного измерительного провода на затворе и черного измерительного провода на катоде следующим образом: (Рисунок ниже)

Элементарное испытание SCR

Все остальные измерения целостности, выполненные на SCR, будут показывать «разомкнут» («OL» на некоторых дисплеях цифровых мультиметров).Следует понимать, что этот тест является очень грубым и не представляет собой исчерпывающую оценку SCR. SCR может давать хорошие показания омметра и при этом оставаться неисправным. В конечном счете, единственный способ проверить SCR – это подвергнуть его току нагрузки.

Если вы используете мультиметр с функцией «проверки диодов», полученное вами показание напряжения перехода затвор-катод может соответствовать или не соответствовать ожидаемому от кремниевого PN перехода (приблизительно 0,7 В).В некоторых случаях вы увидите гораздо более низкое напряжение перехода: всего сотые доли вольта. Это связано с внутренним резистором, подключенным между затвором и катодом, встроенным в некоторые тиристоры. Этот резистор добавлен, чтобы сделать тиристор менее восприимчивым к ложному срабатыванию из-за паразитных скачков напряжения, «шума» цепи или статического электрического разряда. Другими словами, наличие резистора, подключенного через переход затвор-катод, требует подачи сильного пускового сигнала (значительного тока) для фиксации тиристора.Эта функция часто встречается в больших SCR, а не в маленьких SCR. Помните, что SCR с внутренним резистором, подключенным между затвором и катодом, будет указывать на непрерывность в обоих направлениях между этими двумя клеммами: (рисунок ниже)

Большие тиристоры имеют резистор между катодом и затвором.

Чувствительные затворы SCR

«Нормальные» тиристоры без этого внутреннего резистора иногда называют чувствительными тиристорами затвора из-за их способности запускаться при малейшем положительном сигнале затвора.

Испытательная схема для SCR практична как диагностический инструмент для проверки подозреваемых SCR, а также является отличным помощником в понимании основных операций SCR. Источник постоянного напряжения используется для питания схемы, а два кнопочных переключателя используются для фиксации и разблокировки тиристора соответственно: (рисунок ниже)

Схема тестирования SCR

При нажатии нормально разомкнутого кнопочного переключателя затвор соединяется с анодом, пропуская ток от положительной клеммы батареи, через нагрузочный резистор, через переключатель, через PN переход катод-затвор и обратно к батарее. .Этот ток затвора должен вынудить SCR зафиксироваться, позволяя току проходить напрямую от анода к катоду без дальнейшего запуска через затвор. Когда кнопка «Вкл.» Отпущена, нагрузка должна оставаться под напряжением.

Нажатие нормально замкнутого кнопочного переключателя «выключено» разрывает цепь, заставляя ток через тиристор останавливаться, тем самым вынуждая его отключиться (выпадение низкого тока).

Текущий ток

Если SCR не фиксируется, проблема может быть в нагрузке, а не в SCR.Определенная минимальная величина тока нагрузки требуется, чтобы удерживать тиристор во включенном состоянии. Этот минимальный уровень тока называется током удержания. Нагрузка со слишком большим значением сопротивления может не потреблять достаточно тока, чтобы удерживать тиристор в защелкивании, когда ток затвора прекращается, что создает ложное впечатление о плохом (нефиксируемом) тиристоре в тестовой цепи. Значения тока удержания для различных тиристоров должны быть доступны у производителей. Типичные значения удерживающего тока находятся в диапазоне от 1 мА до 50 мА или более для более крупных устройств.

Для того, чтобы тест был полностью исчерпывающим, необходимо протестировать не только запускающее действие. Предел прямого напряжения переключения SCR можно проверить, увеличив подачу постоянного напряжения (без нажатия кнопочного переключателя) до тех пор, пока SCR не защелкнется сам по себе. Помните, что испытание на отключение может потребовать очень высокого напряжения: многие силовые тиристоры имеют номинальное напряжение отключения 600 вольт или более! Кроме того, если доступен генератор импульсного напряжения, критическая скорость нарастания напряжения для SCR может быть проверена таким же образом: подвергнуть его импульсному напряжению питания с разной скоростью вольт / время без срабатывания кнопочных переключателей и посмотреть, когда он защелкнется.

В этой простой форме испытательная схема SCR может быть достаточной в качестве схемы управления пуском / остановом для двигателя постоянного тока, лампы или другой практической нагрузки: (рисунок ниже)

Цепь управления пуском / остановом двигателя постоянного тока

Схема «Лом»

Еще одно практическое применение SCR в цепи постоянного тока – это устройство лома для защиты от перенапряжения. Схема «лом» состоит из тиристора, размещенного параллельно с выходом источника питания постоянного тока, для прямого короткого замыкания на выходе этого источника, чтобы предотвратить попадание чрезмерного напряжения на нагрузку.Повреждение SCR и источника питания предотвращается разумным размещением предохранителя или значительным последовательным сопротивлением перед SCR для ограничения тока короткого замыкания: (рисунок ниже)

Цепь лома, используемая в источнике постоянного тока

Некоторые устройства или схемы, измеряющие выходное напряжение, будут подключены к затвору SCR, так что при возникновении состояния перенапряжения напряжение будет приложено между затвором и катодом, запустив SCR и заставив плавкий предохранитель перегореть.Эффект будет примерно таким же, как при падении прочного стального лома прямо на выходные клеммы источника питания, отсюда и название схемы.

Большинство приложений SCR предназначены для управления мощностью переменного тока, несмотря на то, что SCR по своей природе являются устройствами постоянного тока (однонаправленными). Если требуется двунаправленный ток в цепи, можно использовать несколько тиристоров, один или несколько тиристоров обращены в каждом направлении, чтобы обрабатывать ток через оба полупериода волны переменного тока. Основная причина, по которой тиристоры вообще используются для управления мощностью переменного тока, – это уникальная реакция тиристора на переменный ток.Как мы видели, тиратронная лампа (версия SCR с электронной лампой) и DIAC, гистерезисное устройство, срабатывающее во время части полупериода переменного тока, будут фиксироваться и оставаться включенными в течение оставшейся части полупериода до тех пор, пока переменный ток ток уменьшается до нуля, так как он должен начинать следующий полупериод. Непосредственно перед точкой перехода через ноль формы сигнала тока тиристор выключится из-за недостаточного тока (это поведение также известно как естественная коммутация), и его необходимо снова запустить во время следующего цикла.В результате ток в цепи эквивалентен «нарезанной» синусоидальной волне. Для обзора, вот график реакции DIAC на напряжение переменного тока, пик которого превышает напряжение отключения DIAC: (рисунок ниже)

Двунаправленный ответ DIAC

Для DIAC этот предел напряжения отключения был фиксированной величиной. С помощью SCR мы можем точно контролировать момент фиксации устройства, запуская логический элемент в любой момент времени на осциллограмме. Подключив подходящую схему управления к затвору SCR, мы можем «разрезать» синусоидальную волну в любой точке, чтобы обеспечить пропорциональное во времени управление мощностью нагрузки.

В качестве примера возьмем схему на рисунке ниже. Здесь SCR расположен в цепи для управления мощностью нагрузки от источника переменного тока.

SCR управление питанием переменного тока

Будучи однонаправленным (односторонним) устройством, в лучшем случае мы можем подавать на нагрузку только полуволновую мощность в полупериоде переменного тока, когда полярность напряжения питания положительная вверху и отрицательная внизу. Однако для демонстрации основной концепции пропорционального времени управления эта простая схема лучше, чем одна схема управления двухполупериодной мощностью (для которой потребовалось бы два SCR).

При отсутствии срабатывания затвора и напряжении источника переменного тока значительно ниже номинального напряжения отключения тиристора, тиристор никогда не включится. Подключение затвора SCR к аноду через стандартный выпрямительный диод (для предотвращения обратного тока через затвор в случае, если SCR содержит встроенный резистор затвор-катод), позволит срабатывать SCR почти сразу в начале каждый положительный полупериод: (рисунок ниже)

Затвор, подключенный непосредственно к аноду через диод; почти полная полуволна тока через нагрузку.

Задержка срабатывания триггера SCR

Мы можем задержать срабатывание SCR, однако, добавив некоторое сопротивление в схему затвора, увеличив таким образом величину падения напряжения, требуемого до того, как достаточный ток затвора запустит SCR. Другими словами, если мы усложним прохождение тока через затвор, добавив сопротивление, напряжение переменного тока должно будет достичь более высокой точки в своем цикле, прежде чем ток затвора станет достаточным для включения SCR. Результат показан на рисунке ниже.

В цепь затвора вставлено сопротивление; менее полуволны тока через нагрузку.

Поскольку полусинусоидальная волна в большей степени прерывается задержкой срабатывания тринистора, нагрузка получает меньшую среднюю мощность (мощность доставляется в течение меньшего времени в течение цикла). Сделав резистор последовательного затвора переменным, мы можем отрегулировать пропорциональную во времени мощность: (рисунок ниже)

Увеличение сопротивления приводит к повышению порогового уровня, в результате чего на нагрузку подается меньшая мощность.Уменьшение сопротивления снижает пороговый уровень, в результате чего на нагрузку поступает больше мощности.

К сожалению, эта схема управления имеет существенное ограничение. При использовании сигнала источника переменного тока для нашего триггерного сигнала SCR мы ограничиваем управление первой половиной полупериода сигнала. Другими словами, мы не можем ждать, пока волна не достигнет пика, чтобы запустить SCR. Это означает, что мы можем уменьшить мощность только до точки, в которой SCR включается на самом пике волны: (Рисунок ниже)

Цепь при минимальной мощности

Дальнейшее повышение порога срабатывания триггера приведет к тому, что схема вообще не сработает, поскольку даже пика напряжения переменного тока не будет достаточно для срабатывания тринистора.В результате на нагрузку не подается питание.

Гениальное решение этой дилеммы управления заключается в добавлении в схему фазосдвигающего конденсатора: (рисунок ниже)

Добавление в схему фазовращающего конденсатора

Меньшая форма волны, показанная на графике, представляет собой напряжение на конденсаторе. Чтобы проиллюстрировать фазовый сдвиг, я предполагаю состояние максимального управляющего сопротивления, при котором тиристор вообще не срабатывает при отсутствии тока нагрузки, за исключением того небольшого тока, который проходит через управляющий резистор и конденсатор.Это напряжение конденсатора будет сдвинуто по фазе от 0 ° до 90 °, отставая от формы сигнала переменного тока источника питания. Когда это сдвинутое по фазе напряжение достигает достаточно высокого уровня, срабатывает тиристор.

При достаточном напряжении на конденсаторе для периодического срабатывания тринистора, результирующая форма волны тока нагрузки будет выглядеть примерно так, как показано на рисунке ниже).

Сигнал со сдвигом по фазе запускает SCR в проводимость.

Поскольку форма волны конденсатора все еще нарастает после того, как форма волны основной мощности переменного тока достигла своего пика, становится возможным запускать SCR на пороговом уровне за пределами этого пика, тем самым прерывая волну тока нагрузки дальше, чем это было возможно с более простой схемой.На самом деле форма волны напряжения конденсатора немного сложнее, чем то, что показано здесь, ее синусоидальная форма искажается каждый раз, когда тиристор срабатывает. Однако то, что я пытаюсь проиллюстрировать здесь, – это отложенное срабатывание триггера, полученное с помощью фазосдвигающей RC-цепи; таким образом, упрощенная, неискаженная форма сигнала хорошо служит этой цели.

Запуск SCR сложными схемами

SCR также могут запускаться или «запускаться» более сложными схемами. В то время как ранее показанная схема достаточна для простого применения, такого как управление лампой, большие промышленные системы управления двигателями часто полагаются на более сложные методы запуска.Иногда импульсные трансформаторы используются для соединения цепи запуска с затвором и катодом тринистора, чтобы обеспечить электрическую изоляцию между цепями запуска и питания.

Трансформаторная развязка триггерного сигнала обеспечивает развязку.

Когда несколько тиристоров используются для управления мощностью, их катоды часто не являются электрически общими, что затрудняет подключение одной цепи запуска ко всем тиристорам в равной степени. Примером этого является управляемый мостовой выпрямитель, показанный на рисунке ниже.

Управляемый мостовой выпрямитель

В любой схеме мостового выпрямителя выпрямительные диоды (в данном примере выпрямляющие тиристоры) должны проводить в противоположных парах. SCR1 и SCR3 должны запускаться одновременно, а SCR2 и SCR4 должны запускаться вместе как пара. Однако, как вы заметите, эти пары тиристоров не используют одни и те же катодные соединения, а это означает, что просто не сработает параллельное соединение их соответствующих затворов и подключение одного источника напряжения для запуска обоих: (рисунок ниже)

Эта стратегия не будет работать для запуска SCR2 и SCR4 как пары.

Несмотря на срабатывание источника напряжения показан, вызовет SCR4, это не будет вызывать scr2 должным образом, потому что два тиристор не имеет общую связь катода ссылку, что инициирующее напряжение. Однако импульсные трансформаторы, соединяющие два тиристорных затвора с общим источником пускового напряжения, будут работать: (рисунок ниже)

Трансформаторная муфта затворов позволяет срабатывать SCR2 и SCR4.

Имейте в виду, что на этой схеме показаны соединения затвора только для двух из четырех тиристоров.Импульсные трансформаторы и источники запуска для SCR1 и SCR3, а также детали самих источников импульсов для простоты опущены.

Управляемые мостовые выпрямители не ограничиваются однофазными конструкциями. В большинстве промышленных систем управления питание переменного тока доступно в трехфазной форме для максимальной эффективности, и полупроводниковые схемы управления построены для использования этого преимущества. Схема трехфазного управляемого выпрямителя, построенная на тиристорах, без показанных импульсных трансформаторов или схемы запуска, будет выглядеть, как показано на рисунке ниже.

Трехфазный мостовой тиристорный регулятор нагрузки

ОБЗОР: Кремниевый выпрямитель, или SCR, по сути, представляет собой диод Шокли с добавленной дополнительной клеммой. Эта дополнительная клемма называется затвором, и она используется для запуска устройства в режим проводимости (защелкивания) путем приложения небольшого напряжения. Чтобы запустить или запустить SCR, необходимо приложить напряжение между затвором и катодом, положительное к затвору и отрицательное к катоду.

При тестировании SCR мгновенного соединения между затвором и анодом достаточно полярности, интенсивности и продолжительности для его запуска.SCR могут срабатывать при преднамеренном срабатывании вывода затвора, чрезмерном напряжении (пробое) между анодом и катодом или чрезмерной скорости нарастания напряжения между анодом и катодом. Тиристоры могут быть отключены анодным током, падающим ниже значения удерживающего тока (слаботочное выпадение) или «обратным зажиганием» затвора (подачей отрицательного напряжения на затвор). Обратное срабатывание только иногда эффективно и всегда связано с большим током затвора.

Вариант SCR, называемый тиристором с выключением затвора (GTO), специально разработан для отключения посредством обратного запуска.Даже в этом случае для обратного запуска требуется довольно большой ток: обычно 20% анодного тока. Клеммы SCR могут быть идентифицированы измерителем непрерывности: единственными двумя клеммами, показывающими какую-либо непрерывность между ними, должны быть затвор и катод. Выводы затвора и катода подключаются к PN-переходу внутри SCR, поэтому измеритель целостности цепи должен иметь диодоподобное показание между этими двумя выводами с красным (+) выводом на затворе и черным (-) выводом на катоде. Однако помните, что некоторые большие тиристоры имеют внутренний резистор, подключенный между затвором и катодом, что повлияет на любые показания непрерывности, снятые измерителем.

SCR

– настоящие выпрямители: они пропускают через них ток только в одном направлении. Это означает, что их нельзя использовать отдельно для управления двухполупериодным переменным током. Если диоды в схеме выпрямителя заменены на тиристоры, у вас есть задатки схемы управляемого выпрямителя, в соответствии с которой мощность постоянного тока на нагрузку может быть пропорциональной по времени за счет срабатывания тиристоров в разных точках формы волны переменного тока.

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Срабатывание тиристора или срабатывание SCR

Сегодня мир переживает энергетический кризис.Это требует эффективного использования электроэнергии. Силовая электроника помогает решить эту задачу по эффективному использованию энергии. Тиристоры – важное семейство устройств в силовой электронной системе. SCR (кремниевый управляющий выпрямитель) – важное устройство в семействе тиристоров. Поскольку SCR используется более широко, SCR известен как тиристор.
Приложения силовой электроники связаны с потоком электронной энергии. Для достижения большей эффективности полупроводниковые приборы, используемые в силовой электронной системе, работают как переключатели.Одним из полупроводниковых устройств, используемых в системе силовой электроники, является тиристор. Немногие из других устройств, используемых в качестве переключателей, – это диоды, биполярные переходные транзисторы (BJT), металлооксидный полупроводниковый полевой транзистор (MOSFET), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), тиристор отключения затвора (GTO).

Термин «тиристор» – это общее название семейства полупроводниковых приборов. Семейства тиристоров состоят из большого количества коммутационных устройств. Тиристор – это твердотельный силовой полупроводниковый прибор.Он имеет четыре чередующихся слоя и три перехода J ₁ , J ₂ , J ₃ из полупроводникового материала N-типа и полупроводникового материала P-типа. Тиристор имеет три вывода. А именно анод, катод и затвор. Тиристор действует как бистабильный переключатель, проводящий, когда его анод становится положительным по отношению к катоду и подается сигнал затвора (между выводом затвора и выводом катода).

Под срабатыванием понимается включение устройства из выключенного состояния. Включение тиристора относится к срабатыванию тиристора .Включение тиристора происходит за счет увеличения протекающего через него анодного тока. Увеличить анодный ток можно разными способами.

1. Срабатывание тиристора по напряжению : – Здесь приложенное прямое напряжение постепенно увеличивается до значения, известного как повышенное напряжение прямого размыкания VBO, и затвор остается открытым. Этот метод не является предпочтительным, поскольку во время включения тиристора он связан с большим напряжением и большим током, что приводит к огромным потерям мощности и может быть повреждено устройство.
2. Срабатывание теплового тиристора : – Если температура тиристора высока, это приводит к увеличению электронно-дырочных пар. Которые, в свою очередь, увеличивают ток утечки α ₁ и α ₂ , чтобы поднять. Регенеративное действие имеет тенденцию увеличиваться (α ₁ + α ₂ ) до единиц, и тиристор может быть включен. Этот тип включения не является предпочтительным, так как он может привести к тепловому отворачиванию, и, следовательно, его следует избегать.
3. Срабатывание светового тиристора : – Эти лучи света могут попадать на соединения тиристора.Это приводит к увеличению количества электронно-дырочных пар, и тиристор может быть включен. С помощью этого метода срабатывают световые тиристоры (ЛАЗЕР).
4. dv / dt Запуск : – Если скорость нарастания напряжения между анодом и катодом высока, зарядный ток через емкостный переход достаточно высок, чтобы включить тиристор. Высокое значение зарядного тока может разрушить тиристор, поэтому устройство должно быть защищено от высоких значений dv / dt.
5. Запуск затвора : – Этот метод запуска тиристора широко используется из-за простоты управления срабатыванием затвора тиристора. C ₈ позволяет нам поворачивать тиристор в любое время.Здесь мы подаем сигнал затвора на тиристор. Тиристор с прямым смещением включается при подаче на него стробирующего сигнала. Как только тиристор начинает проводить, затвор теряет контроль над устройством, и тиристор продолжает проводить. Это связано с регенеративным действием, которое происходит внутри тиристора при подаче стробирующего сигнала.

Когда тиристор смещен в прямом направлении и сигнал затвора вводится путем приложения положительного напряжения затвора между выводами затвора и катода, тогда тиристор включается.

На рис. Показана форма сигнала анодного тока после подачи стробирующего сигнала. t _на – время задержки включения. Время задержки включения – это временной интервал между подачей стробирующего сигнала и срабатыванием тиристора. Время задержки включения ton определяется как интервал времени между 10% установившегося тока затвора 0,1I _g и 90% установившегося тока тиристора во включенном состоянии 0,9I _T t _на является суммой времени задержки. td и время нарастания t _r .Время задержки t _d определяется как интервал времени между 10% тока затвора в установившемся режиме (0,1 I _g ) и 10% тока тиристора в открытом состоянии (0,1I _T ). Время нарастания t _r определяется как время, затрачиваемое анодным током тиристора от 10% тока тиристора в состоянии (0,1I _T ) до 90% тока тиристора во включенном состоянии (0,9I _T ).
При проектировании схемы срабатывания затворных тиристоров необходимо учитывать следующие моменты.

1. При включении тиристора стробирующий сигнал должен быть немедленно удален.Непрерывное применение стробирующего сигнала даже после срабатывания триристора приведет к увеличению потерь мощности в затворном переходе.
2. При обратном смещении тиристора сигнал затвора не должен подаваться; в противном случае тиристор
3. Ширина импульса стробирующего сигнала должна быть больше времени, необходимого для повышения анодного тока до значения тока удержания I _H .

Тиристор не может быть отключен подачей отрицательного сигнала затвора. Чтобы остановить токопроводимость тиристора, мы должны довести анодный ток, протекающий через тиристор, до уровня ниже уровня удерживающего тока.Ток удержания можно определить как минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии без сигнала затвора, ниже которого тиристор прекращает проводить.

Если мы хотим включить тиристор, ток, протекающий через тиристор, должен быть больше тока фиксации тиристора. Ток фиксации – это минимальный анодный ток, необходимый для поддержания тиристора во включенном состоянии с сигналом на затворе. Здесь следует отметить, что даже анодный ток тиристора падает ниже тока фиксации (после того, как он включен и сигнал затвора снят) тиристор не прекращает проводимость.Но если он падает ниже тока удержания (ток фиксации больше тока удержания), тиристор отключается.

тиристоров в цепях переменного тока

• Изучив этот раздел, вы должны уметь:
• Описать методы управления мощностью переменного тока с помощью тиристоров
• • Полуволновое и полноволновое управление
• • Базовое резистивное управление.
• • Фазовое управление.
• • Контроль уровня.
• • Импульсный запуск.
• • Синхронное переключение или переключение через ноль.
• Понять работу схемы для различных методов запуска SCR.
• Описать методы безопасной изоляции устройств среднего и высокого напряжения.

Базовый резистивный контроль

Тиристоры обычно используются в цепях управления питанием переменного тока, таких как диммеры освещения, регуляторы скорости двигателя переменного тока, нагреватели и т. Д.где сетевое (линейное) напряжение используется для нагрузок в много ватт или часто киловатт. Целью управления переменным током является запуск SCR на части в течение каждого цикла переменного тока, чтобы ток нагрузки через SCR отключался на часть цикла переменного тока, таким образом ограничивая средний ток, протекающий через SCR, и, следовательно, среднюю передаваемую мощность. к нагрузке.

Рис. 6.2.1 Базовая схема резистивного управления

Самый простой способ достижения этого показан на рис. 6.2.1, где тиристор включается подачей синусоидальной волны низкого напряжения (полученной от входа переменного тока простой резисторной цепью, содержащей переменный потенциометр) на вывод затвора SCR.Обратите внимание, что поскольку волна на входе затвора получается из переменного тока, протекающего через тиристор, она будет состоять только из выпрямленных полуволновых импульсов. Эффект этой входной волны состоит в том, что SCR будет включаться только тогда, когда форма волны затвора достигает потенциала срабатывания SCR, что происходит на половине каждого положительного полупериода волны переменного тока. После включения тиристора он продолжает проводить до тех пор, пока волна переменного тока не упадет до уровня чуть выше нуля вольт, когда ток, протекающий между анодом и катодом, упадет до значения, меньшего, чем порог ‘удерживающего тока’ (показан в тиристорном модуле 6.0 рис. 6.0.3). Затем тиристор остается в непроводящем состоянии в течение отрицательного полупериода волны переменного тока, поскольку теперь он смещен в обратном направлении (в режиме обратной блокировки) в течение оставшейся части цикла переменного тока. Когда начинается следующий положительный полупериод, тиристор остается в непроводящем состоянии до тех пор, пока сигнал запуска на выводе затвора снова не достигнет своего пускового потенциала.

Рис. 6.2.2 Активное срабатывание SCR

Время или фазовый угол, при котором будет срабатывать SCR, можно изменять, изменяя амплитуду сигнала затвора.Как видно из анимации на рис. 6.2.2. чем меньше амплитуда стробирующего сигнала, тем позже включается тиристор. Таким образом, изменение амплитуды сигнала триггера контролирует время включения SCR. Однако обратите внимание, что, поскольку тиристор в основном представляет собой выпрямительный диод, он проводит только половину цикла переменного тока, поэтому один тиристор может выдавать только 50% доступной мощности переменного тока. Кроме того, при использовании этой очень простой формы управления током, протекающим через тиристор, можно управлять только в течение половины положительного полупериода, то есть четверти полного цикла переменного тока.Можно видеть, что как только время включения достигает пика амплитуды волны переменного тока, его нельзя регулировать дальше, так как пиковая амплитуда сигнала запуска больше не будет достигать потенциала срабатывания затвора SCR и, следовательно, не будет запускать SCR после эта точка.

Рис. 6.2.3 Управление переменным током с помощью резисторов

Рис. 6.2.3 Видео недоступно в формате для печати

Из анимации и видео на рис. 6.2.3 также видно, что при использовании простого резистивного метода управление не очень линейное; первоначально ток через SCR изменяется только на относительно небольшую величину, но есть более быстрое изменение непосредственно перед прекращением проводимости.Внимательно посмотрите на вставку с изображением лампы на видео; он начинает заметно тускнеть только тогда, когда время переключения приближается к пиковому значению волны переменного тока.

Рис. 6.2.4 Методы управления полноволновым тиристором

Полноволновой регулятор SCR

Базовая операция SCR, описанная выше, может быть значительно улучшена с помощью некоторых простых модификаций. Возможно, самым большим недостатком простого резистивного управления является то, что диапазон регулировки может покрывать только 25% всей волны переменного тока.Это происходит из-за того, что диодный тиристор проводит только положительную половину волны переменного тока. Чтобы обеспечить проводимость во время прохождения отрицательной половины волны переменного тока, переменный ток можно выпрямить с помощью двухполупериодного выпрямителя, как показано на рис. 6.2.4 (a). Поскольку обе половины волны переменного тока теперь будут положительными, диапазон регулировки теперь увеличен почти до 50%. Альтернативой является использование второго SCR, соединенного встречно-параллельно, как показано на рис. 6.2.4 (b), чтобы один SCR работал во время положительных полупериодов, а другой SCR – во время отрицательных полупериодов.Однако такое параллельное расположение тиристоров также можно получить, просто используя один симистор вместо двух тиристоров.

Рис. 6.2.5 Демонстрационная схема управления фазой тиристора

Контроль фазы SCR

Для достижения практически 100% -ного контроля волны переменного тока при регулировке фазы просто заменяется один из резисторов в резистивной цепи управления на конденсатор. Теперь это преобразует цепь резисторов в переменный фильтр нижних частот, который будет сдвигать фазу волны переменного тока, подаваемой на затвор.Подробности о том, как работает фильтр нижних частот, можно найти здесь, но в основном значения C и R выбраны таким образом, чтобы регулировка R1 обеспечивала сдвиг фазы от 0 ° до почти 90 °. Чтобы быть эффективным, изменение R1 должно привести к значительному изменению поведения устройства нагрузки (в данном случае лампы на 12 В, 100 мА). Однако, помимо сдвига фазы сигнала затвора, RC-фильтр также будет изменять амплитуду формы сигнала затвора, поэтому амплитуда формы сигнала затвора также должна поддерживаться выше пускового потенциала выбранного типа SCR для переключения иметь место.Из этих условий видно, что расчет подходящих значений для R и C для обеспечения надлежащего управления зависит как от фазы, так и от амплитуды, поэтому может быть довольно сложным. Поэтому, скорее всего, также потребуются некоторые практические эксперименты со значениями R и C.

Рис. 6.2.6 Управление фазой SCR

Рис. 6.2.6 Видео недоступно в формате для печати

Видео на рис. 6.2.6 показывает рабочую схему с использованием значений компонентов, показанных на рис.6.2.5. Наблюдая за яркостью лампы вместе с изменяющейся формой сигнала, показанной на вставленном изображении, можно увидеть, что использование фазового управления действительно дает значительно лучший контроль почти над всеми 180 ° каждого полупериода по сравнению с простым резистивным управлением.

Контроль уровня SCR

Рис. 6.2.7 Контроль уровня SCR

Другой способ включения тиристора в соответствующую часть цикла переменного тока – подать напряжение постоянного тока на затвор в течение времени, которое тиристор должен проводить.Следовательно, постоянный ток, приложенный к затвору, будет импульсом переменной ширины, имеющим уровень напряжения, достаточный для того, чтобы заставить тиристор проводить. Эти импульсы должны быть синхронизированы с выпрямленной волной переменного тока, чтобы они всегда начинались и заканчивались в правильное время относительно формы волны переменного тока.

Анимация на рис. 6.2.7 иллюстрирует основной метод запуска SCR с использованием управления уровнем. SCR запускается (включается) в течение каждого полупериода выпрямленного переменного тока напряжением V _g , приложенным к затвору SCR.SCR отключается в конце каждого полупериода, когда напряжение на SCR падает почти до нуля, что также совпадает с окончанием триггерного импульса V _g . Импульсы постоянного тока могут генерироваться в цифровом виде, с использованием выхода компьютера или дискретной компонентной схемы, такой как показанная ниже на рис. 6.2.8, в которой используется моностабильный таймер 555. Эта схема предлагает простой и недорогой метод демонстрации работы тринистора с использованием только низких напряжений. Используются два блока питания, заштрихованная область на рис.6.2.8 – это демонстрационный источник питания переменного тока, описанный в модуле SCR 6.0, который изолирует демонстрационную схему от сети (линии). На контрольную секцию цепи должно подаваться постоянное напряжение от 5 В до 12 В. Это может быть либо отдельный источник питания постоянного тока (например, «настенная бородавка»), либо специальный регулируемый источник питания IC, либо батарея. Секция управления схемы (черная) также изолирована от секции переменного тока (красная) двумя оптопарами, IC1 и IC3. Поскольку эта схема уже изолирована от сетевого напряжения с помощью T1, казалось бы, нет необходимости использовать второй метод изоляции в IC1, однако основная функция IC1 в данном случае не изоляция, а действие как детектор перехода через нуль.

Рис. 6.2.8 Цепь запуска уровня SCR

Рис. 6.2.9 Формы сигналов запуска уровня SCR

Демонстрационная схема запуска уровня

Схема на рис. 6.2.8 включает тиристор в момент времени, выбранный настройкой VR1, в течение каждого положительного полупериода переменного тока от низковольтного источника питания (форма сигнала A). SCR снова отключается, когда выпрямленное переменное напряжение падает почти до нуля в конце каждого полупериода. Схема управления основана на микросхеме таймера 555, работающей в моностабильном режиме, и двух оптопарах 4N25.

Помимо изоляции цепи 555 от входящего переменного тока, IC1 (4N25) выдает синхронизирующий импульс (форма сигнала B на рис. 6.2.9). Это достигается за счет смещения IC1 в режиме общего коллектора, так что его выходной транзистор проводит большую часть входного двухполупериодного переменного тока, создавая высокое (5 В) напряжение на выводе 4, но отключается, когда волна переменного тока приближается к 0 В, создавая выход 0 В. на выводе 4 микросхемы IC1. Эти импульсы используются для запуска моностабильного модуля 555 (IC2) в начале каждого полупериода.

Каждый раз, когда срабатывает IC2, его выход на выводе 3 становится высоким в течение времени, установленного постоянной времени, создаваемой переменным резистором VR1 и конденсатором синхронизации C1.Обратите внимание, что VR1 также подключен параллельно резистору R4 на 27 кОм. Целью этого является достижение более точной постоянной времени, чем это возможно при использовании только предпочтительных значений VR1 и C1. Также можно было бы установить предварительно установленный резистор вместо R4, чтобы получить точную длительность пускового импульса высокого уровня, генерируемого IC2.

Рис. 6.2.10 Срабатывание по уровню SCR

Рис. 6.2.10 Видео недоступно в формате для печати

Обратите внимание, что запускающий импульс, создаваемый IC2 (форма сигнала C на рис.6.2.9) переходит в высокий уровень сразу после получения синхронизирующего импульса, который включает SCR в начале полупериода. Также, когда импульс запуска возвращается на низкий уровень, это не отключит SCR, он будет продолжать работать до конца полупериода; это не то, что нужно. Однако форма сигнала C инвертируется под действием оптрона IC3, поскольку его выходной транзистор подключен в режиме общего эмиттера. Следовательно, SCR срабатывает во время последнего периода полупериода выпрямленного переменного тока (форма сигнала D на рис.6.2.9). Обратите внимание на то, что форма сигнала D не похожа на обратную форму волны C, потому что, как только SCR запускается, вход затвора (вместе с анодом и катодом) следует форме выпрямленной волны переменного тока с момента запуска до момента его запуска. достигает 0 В.

Обратите внимание, что схема запуска уровня, описанная здесь и показанная в работе на видео на рис. 6.2.10, не предназначена конкретно для представления практической схемы для управления высоким напряжением, а как демонстрационный образец, позволяющий изучить управление SCR. .Таким образом, этот модуль дает возможность более глубоко изучить режимы запуска SCR, используя низковольтный источник питания переменного тока, описанный в модуле SCR 6.0, и создавая схемы запуска на макетной плате. Однако на практике есть некоторые недостатки срабатывания по уровню, которые можно преодолеть с помощью импульсного запуска.

Запуск импульса SCR

Использование запуска по уровню, как описано выше, имеет недостаток, заключающийся в создании тока затвора в течение всего периода включения SCR.Это создает ненужный ток затвора и в приложениях с высокой мощностью может увеличить тепло, выделяемое на переходе 2 SCR, что, в свою очередь, может снизить долговременную надежность.

Модификация схемы, показанной на рис. 6.2.8, проиллюстрирована на рис. 6.2.11. Эта схема генерирует одиночный узкий импульс (длительностью около 4 мкс) для запуска SCR при выбранном угле включения, затем SCR продолжает проводить до тех пор, пока прямой ток не упадет до значения, меньшего, чем значение удерживающего тока около 0 В, что значительно снижает среднее значение затвора. Текущий.

Рис. 6.2.11 Цепь запуска импульса SCR

Как работает схема запуска импульса

Часть рис. 6.2.11, показанная бледно-серым цветом, работает так же, как уже было описано для рис. 6.2.8; Выход IC2 (моностабильный) состоит из положительных импульсов переменной ширины (форма сигнала A, показанная на рис. 6.2.12), где задний фронт каждого импульса определяет угол включения SCR. (Обратите внимание, что в схеме запуска уровня этот сигнал инвертируется перед подачей на затвор, так что задний фронт становится нарастающим фронтом для запуска SCR).На рис. 6.2.11 перед тем, как выходной сигнал IC2 будет инвертирован, он дифференцируется C3 и R5 для создания серии узких 4 мкс положительных и отрицательных импульсов, соответствующих нарастающим и спадающим фронтам сигнала A. Эти узкие импульсы подаются на общий коллектор (эмиттерный повторитель) задающего транзистора Tr1 через R6. Диод D2 на эмиттере Tr1 удаляет положительные импульсы (за исключением небольшого остатка из-за потенциала прямого перехода диода).

Рис. 6.2.12 Формы сигналов запуска импульса SCR

Отрицательные импульсы (форма волны B) на эмиттере Tr1 инвертируются импульсным трансформатором 1: 1 T2 путем соединения вторичной обмотки T2 в противофазе с первичной обмоткой T2 (обратите внимание на точки индикатора фазы рядом с первичной и вторичной обмотками), таким образом производя положительные импульсы запуска для SCR.Т2 также действует как изолятор между цепью управления постоянного тока низкого напряжения и тиристором переменного тока более высокого напряжения. На рис. 6.2.12 форма волны C показывает форму волны катода SCR, причем быстрый нарастающий фронт соответствует времени запуска импульса, подаваемого на затвор через токоограничивающий резистор R8; это снижает ток, подаваемый каждым импульсом запуска, примерно до 100 мкА.

Цепи запуска по уровню и импульсного запуска обеспечивают надежный запуск и настройку почти на всех 360 ° волны переменного тока 50 Гц.Для работы на частоте 60 Гц может потребоваться некоторая регулировка постоянной времени моностабильности. Уровень напряжения питания постоянного тока не критичен, от 5 до 12 В.

Рис. 6.2.13 Кривые пересечения нуля SCR

Синхронное переключение (переход через нуль)

Однако проблема существует со всеми описанными выше методами управления. Форма выходного сигнала переменного тока, когда SCR включается в течение каждого положительного полупериода волны переменного тока, имеет очень быстрое время нарастания, поскольку ток через SCR внезапно переключается с нуля на мгновенное значение волны переменного тока.При использовании источника переменного тока 230 В это резкое изменение может составлять около 325 В (пиковое значение волны переменного тока). Форма волны также может быть острым треугольным всплеском, если SCR включается после достижения пикового значения волны. В любом случае форма волны переменного напряжения, создаваемая действием SCR, будет богата гармониками, которые могут вызвать серьезный уровень электромагнитных помех (ЭМИ), вызывая проблемы не только для других подключенных схем; Помехи также могут излучаться на другие расположенные поблизости электронные устройства в виде радиочастотных помех (r.е.и.), поскольку создаваемые гармоники могут распространяться в радиодиапазоны. Чтобы избежать этих проблем, можно использовать альтернативные методы контроля. Один из таких методов, называемый «синхронное переключение или переключение с переходом через нуль», заключается в том, чтобы разрешить тиристорам переключаться только тогда, когда форма напряжения сети равна нулю или очень близка к ней. Затем тиристор включается на некоторое количество циклов, а затем снова выключается (когда напряжение переменного тока проходит через 0 В) еще на количество циклов. Затем можно изменить соотношение циклов включения и выключения, чтобы обеспечить изменение средней мощности, подаваемой на нагрузку.Рис. 6.2.13 иллюстрирует теоретический метод достижения нулевого переключения кроссовера. Практическая демонстрационная схема показана на рис. 6.2.14, а фактические формы сигналов, полученные из схемы, показаны на рис. 6.2.15.

Форма сигнала A на рис. 6.2.15 показывает форму сигнала 18Vpp, 100 Гц, приложенную к схеме перехода через нуль от двухполупериодного выпрямленного источника переменного тока и мостового выпрямителя (затенено серым на рис. 6.2.14).

Форма сигнала B представляет собой серию импульсов 5 В, полученных от оптопары IC1.Поскольку транзистор оптопары включен в течение большей части положительного полупериода входа переменного тока, это делает эмиттер высоким, за исключением узкого импульса, когда эмиттер падает с 5 В до 0 В каждый раз, когда вход переменного тока падает до 0 В. Таким образом, эти импульсы синхронизируются с точкой нулевого напряжения формы сигнала A.

Однако, поскольку для запуска SCR необходимы положительные импульсы запуска, импульсы в точке B инвертируются Tr1 для создания формы сигнала C.

Форма сигнала D является выходным сигналом автономного нестабильного генератора 555 IC2, который генерирует прямоугольные импульсы с частотой повторения импульсов около 7 Гц и переменной скважностью, регулируемой VR1.Эта форма сигнала используется для управления соотношением времени включения и выключения SCR. Поскольку SCR будет высоким (включен) в течение нескольких полупериодов 100 Гц, затем низким (выключенным) в течение нескольких полупериодов. Отношение метки к пространству прямоугольной волны, создаваемой IC2, регулируется VR1, чтобы обеспечить время включения примерно от 20% до 90% от периодического времени нестабильного выхода. Более подробно работа IC2 описана в Модуле 4.4 генераторов.

Выходы Tr1 (форма сигнала C) и IC2 (форма сигнала D) подаются на два входа логического элемента И (IC3).Выход IC3 переходит на логическую 1 только тогда, когда оба входа находятся на логической 1. Это создает серию узких положительных импульсов запуска (форма сигнала E) для запуска SCR только в начале этих полупериодов, когда форма сигнала D имеет высокий уровень. Создаваемые импульсы запуска подаются на Т2, изолирующий импульсный трансформатор 1: 1, через транзистор Tr2 драйвера эмиттерного повторителя. Вторичная обмотка Т2 подает триггерные импульсы на затвор тринистора через резистор ограничителя тока R11 и диод D3. Форма волны затвора (форма волны F) практически идентична форме волны выходного сигнала на катоде SCR, поскольку между затвором и катодом SCR существует лишь небольшая разница в напряжении.

Рис. 6.2.14 Цепь управления переходом через ноль SCR

* Примечание по безопасности: Обычно резисторы 0,25 Вт подходят для этой конструкции, но если схема работает в течение длительного времени без источника переменного тока, но с источником постоянного тока, существует вероятность того, что R11 (47R 0,25 Вт) может перегреться. , так как в этих условиях он будет пропускать повышенный ток из-за сигнала E, являющегося версией нестабильного выхода с более высоким током (форма сигнала D). Чтобы избежать перегрева, R5 можно заменить версией с более высокой мощностью или, желательно, всегда отключать источники переменного и постоянного тока, когда цепь не работает!

Рис.6.2.15 Формы сигналов Рис. 6.2.14 Схема

Рис. 6.2.16 SCR Zero Crossing

Схема макетной платы

Работа цепи с переходом через ноль SCR

В этой демонстрационной схеме снова используется двухполупериодный выпрямленный источник переменного тока низкого напряжения (12 В _RMS ), описанный ранее и затененный серым цветом на рис. 6.2.14.

Рис. 6.2.14. использует два разных метода изоляции и демонстрирует, как метод контроля перехода через нуль может быть реализован с использованием стандартных компонентов.Он не предназначен для представления какого-либо конкретного коммерчески доступного решения и не предназначен для представления наилучшего доступного метода. Целью схем управления затвором SCR, обсуждаемых в этом модуле, является предоставление полезных демонстраций широко используемых методов управления и среды низкого напряжения для соответствующих экспериментов. Они могут быть построены недорого на стандартном макете или плате, как показано на рис. 6.2.16, в качестве полезных демонстраций или студенческих проектов. В этих проектах используются низкие напряжения, чтобы поддерживать более безопасную окружающую среду, но узнайте больше об электронике.org не заявляет и не предполагает, что любая электронная схема является полностью безопасной, выбор построения и / или использования схем и методов, описанных на этом сайте, осуществляется исключительно на ваш страх и риск.

Видео на рис. 6.2.17 показывает эффект управления переходом через ноль при использовании для уменьшения яркости лампы. Обратите внимание на выраженное мерцание, возникающее при включении и выключении SCR на низких частотах, показывая, что это решение, устраняя одну проблему управления SCR (помехи), создает другую – низкую скорость переключения и связанное с этим мерцание.Однако, хотя это может быть проблемой для приложений освещения, это не проблема для приложений с медленно меняющимися значениями, такими как управление нагревом. Таким образом, переход через нуль может быть эффективным для контроля температуры за счет изменения средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент. Кроме того, из-за отсутствия быстро изменяющихся скачков напряжения при управлении переходом через ноль, он больше подходит для использования с индуктивными нагрузками, чем схемы управления, которые переключаются во время цикла переменного тока.

Рис.6.2.17 SCR Zero Crossing Control

Рис. 6.2.17 Видео недоступно

в формате для печати

Что такое триггер SCR и методы включения SCR

SCR или тиристор – это один из видов полупроводниковых устройств, специально разработанный для использования в мощных коммутационных устройствах. Это устройство может работать только в режиме переключения и действует как переключатель. Когда SCR запускается своим выводом затвора в передачу, он будет постоянно подавать ток.При разработке схемы SCR или тиристора для активации схемы должна требоваться особая концентрация. Работа всей области цепи тринистора во многом зависит от способа его срабатывания. В этой статье обсуждаются различные методы запуска SCR, методы включения SCR или запуска тиристоров. Доступны различные методы запуска в зависимости от различных параметров, включая температуру, напряжение и т. Д. Мы обсудим некоторые из них, которые часто используются при запуске SCR.

Что такое срабатывание SCR?

Мы знаем, что кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) или тиристор включает два стабильных состояния, а именно прямую проводимость и прямую блокировку. Метод запуска SCR может быть определен как, когда SCR переключается из состояния прямой блокировки в состояние прямой проводимости, что означает выключенное состояние в состояние ON, тогда это называется Методы включения SCR или запуск SCR.

кремниевый выпрямитель

Способы срабатывания тиристора

Срабатывание тиристора в основном зависит от различных переменных, таких как температура, напряжение питания, ток затвора и т. Д.Когда напряжение подается на кремниевый управляемый выпрямитель, если анодный вывод может быть сделан положительным по отношению к катоду, тогда SCR превращается в прямое смещение. Поэтому этот тиристор переходит в состояние прямой блокировки.

scr-triggering-circuit

Это может быть сделано для активации в режиме проводимости, и это выполняется с использованием любого типа методов включения SCR. Существуют различные методы активации SCR, в том числе следующие.

• Запуск по прямому напряжению
• Запуск по температуре
• Запуск по дв / dt
• Запуск по свету
• Запуск по затвору

Запуск по прямому напряжению

Этот метод запуска в основном используется для увеличения напряжения между анодом и катодом.Так что ширина обедненного слоя может быть увеличена и заставляет увеличивать ускоряющее напряжение неосновных носителей заряда на переходе J2. Кроме того, это может привести к лавинному пробою J2-перехода при прямом обрыве перенапряжения.

На этом этапе кремниевый управляемый выпрямитель может перейти в режим проводимости, и, следовательно, будет большой поток тока с меньшим падением напряжения. На протяжении всего состояния запуска в SCR диапазон падения напряжения пересылки составляет от 1 до 1.5 вольт на SCR. Это может быть усилено током нагрузки.

На практике этот метод не может быть использован, так как он требует очень большого анодного напряжения на катоде. Когда напряжение выше, чем перенапряжение отключения, возникают чрезвычайно большие токи. Это может повредить тиристор. Таким образом, в большинстве случаев этот метод запуска SCR не может быть использован.

Запуск по температуре

Этот тип запуска в основном возникает из-за некоторых обстоятельств.Это может увеличить внезапные отклики, и тогда его результаты должны быть записаны как элемент любого метода проектирования.

Срабатывание тиристоров по температуре в основном происходит, когда напряжение на переходе J2, а также ток утечки могут увеличить температуру перехода. При повышении температуры увеличивается ток утечки.

Этот метод увеличения может быть достаточным для активации тиристора, даже если он имеет тенденцию просто происходить из-за высокой температуры устройства.

dv / dt Запуск

В этом типе запуска, когда SCR находится в прямом смещении, тогда два перехода, такие как J1 и J3, находятся в прямом смещении, а переход J2 будет в обратном смещении. Здесь переход J2 работает как конденсатор из-за существующего заряда на переходе. Если ‘V’ – это напряжение на тиристоре, тогда заряд (Q) и емкость можно записать как

ic = dQ / dt

Q = CV

ic = d (CV) / dt = C.dV / dt + V.dC / dt

Когда dC / dt = 0

ic = C. dV / dt

Таким образом, по мере того, как скорость изменения напряжения на SCR становится высокой или низкой, тогда может сработать SCR.

Light Triggering

Когда SCR запускается с излучением света, называется LASCR или Light Activated SCR. Этот вид запуска используется для преобразователей, которые управляются по фазе в системах HVDC. В этом методе интенсивность и световое излучение с подходящей длиной волны разрешается попадать на переход J2.

световой запуск

Эти типы тиристоров имеют позицию внутри P-слоя. Таким образом, когда свет падает на эту позицию, пары электрон-дырка могут образовываться в переходе J2, чтобы дать дополнительные носители заряда на выводах перехода, чтобы запустить тиристор.

Запуск по затвору

Запуск по затвору – это эффективный и наиболее часто используемый метод запуска тиристора или тиристора. Поскольку тиристор находится в прямом смещении, то достаточное напряжение на выводе затвора добавляет несколько электронов к переходу J2.Это влияет на усиление обратного тока утечки и, следовательно, пробой перехода J2, все еще находящегося под напряжением, будет меньше, чем VBO.

В зависимости от размера тиристора ток затвора изменяется от нескольких мА до 200 мА. Если ток, который подается на вывод затвора, высокий, то дополнительные электроны будут вставлены в переход J2, что приведет к приближению к положению проводимости при меньшем приложенном напряжении.

В этом методе положительное напряжение может быть приложено между двумя выводами, такими как затвор и катод.Таким образом, мы можем использовать 3 вида стробирующих сигналов для запуска SCR, а именно импульсный сигнал, сигнал постоянного тока и сигнал переменного тока.

При разработке схемы запуска затворного тиристора необходимо учитывать следующие важные моменты.

• Когда срабатывает тиристор, стробирующий сигнал должен быть немедленно отключен, в противном случае потеря мощности будет внутри затворного перехода.
• Поскольку SCR имеет обратное смещение, сигнал затвора не должен применяться к нему.
• Ширина импульса стробирующего сигнала должна быть больше времени, необходимого для увеличения анодного тока до значения тока удержания.

Итак, это все об обзоре методов запуска SCR. Наконец, исходя из приведенной выше информации, мы можем сделать вывод, что переключение тиристора из состояния прямой блокировки в состояние прямого состояния известно как запуск. Вот вам вопрос:

Кремниевые выпрямители (SCR) [Analog Devices Wiki]

Цель:

Целью этой лабораторной работы является изучение структуры и работы кремниевого контроллера. Выпрямитель или SCR.SCR в основном используются в устройствах, где управление высокой мощностью, возможно, на высокой напряжение, необходимо. Возможность включения и выключения больших токов делает SCR пригодным для использования в приложения для управления питанием переменного тока от среднего до высокого напряжения, такие как регулировка яркости ламп, регуляторы и двигатель контроль. Кроме того, непреднамеренные SCR могут образовываться в интегральных схемах, и когда эти SCR становятся сработавшая неисправность цепи или даже проблемы с надежностью и повреждение.

Фон:

Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR) представляет собой четырехслойное твердотельное устройство управления током с 3 терминалы.У них есть анодные и катодные выводы, как у обычного диода, и третий вывод управления, именуется воротами. SCR – это однонаправленные устройства, т.е. они проводят ток только в одном направление как диод или выпрямитель. SCR срабатывают только токами, идущими в затвор. SCR сочетает в себе выпрямительные свойства диодов и функции управления включением-выключением транзисторов.

SCR обычно используются в приложениях переключения мощности. В нормальном выключенном состоянии устройство ограничивает текущий поток к току утечки.Когда ток между затвором и катодом превышает определенный порог, устройство включается и проводит ток. SCR останется во включенном состоянии даже после того, как ток затвора будет удаляется до тех пор, пока ток через устройство превышает ток удержания. Как только ток падает ниже удерживающего тока в течение определенного периода времени, устройство выключится. Если вентиль импульсный и ток через устройство ниже тока фиксации, устройство останется в выключенном состоянии.

Глядя на рисунок 1 (а), четырехуровневую структуру SCR, мы видим три вывода, один из внешний слой p-типа, называемый анодом A, второй из внешнего слоя n-типа, называемый катодом K, и третий от базы нижней части NPN-транзистора и называется затвором G.

Рисунок 1 Эквивалентная схема SCR

SCR, как показано на рисунке 1 (b), можно представить как разделенный на два транзистора. Эквивалент Схема SCR состоит из транзистора PNP и транзистора NPN, соединенных между собой, как показано на рисунок 1c. Мы видим, что коллектор каждого транзистора соединен с базой другого, образуя петля положительной обратной связи.

SCR имеет два стабильных состояния. Первое – это непроводящее состояние ВЫКЛ.С открытым терминалом ворот Давайте сначала предположим, что ток не течет на клемму базы NPN-транзистора Q ₂ . При нулевом базовом токе ток коллектора Q ₂ также будет равен нулю. Учитывая нулевой коллектор для Q ₂ мы делаем вывод, что из базы PNP-транзистора должен течь нулевой ток. Вопрос ₁ . Учитывая нулевой базовый ток в Q ₁ , мы делаем вывод, что коллектор должен быть нулевым. ток в Q ₁ . Это согласуется с нашим исходным предположением о нулевом токе в основании Вопрос ₂ .С нулевым током коллектора (и нулевым током базы) в Q ₁ и Q ₂ , мы можем сделать вывод, что в обоих транзисторах не должно быть эмиттерного тока. Этот Состояние ВЫКЛ с нулевым током является стабильным до тех пор, пока любой ток утечки через Q ₁ или Q ₂ от эмиттера до коллектора очень мало.

Второе стабильное состояние – это проводящее состояние ВКЛ. Мы можем переключить или переключить SCR из ВЫКЛ. в состояние ВКЛ. путем подачи небольшого тока на клемму затвора.Пройдя через то же самое процедуры вокруг цикла, который мы только что сделали для выключенного состояния, мы можем видеть, что как только базовый ток подается на Q ₂ , больший ток коллектора (ß _NPN раз больше тока базы) начать течь. Этот ток коллектора Q ₂ становится базовым током для Q ₁ . Эта база ток в Q ₁ снова производит больший ток коллектора (ß _PNP раз больше базового ток) в _кв.1. Коллекторный ток Q ₁ возвращается в базу Q ₂ еще больше увеличивает базовый ток.Как только этот контур обратной связи по току установлен начальный ток затвора может быть удален, и тиристор будет оставаться в проводящем состоянии включения до тех пор, пока поскольку внешняя цепь вокруг SCR подает ток через SCR. Единственный способ выключить SCR предназначен для падения тока ниже критического уровня «удерживающего» тока.

Следует отметить, что этот контур положительной обратной связи будет удерживать SCR включенным и оставаться в нем. это зафиксированное состояние, если верно следующее:

ß _PNP * ß _NPN ⇒ 1

Падение напряжения на тиристоре от клеммы A до K , когда тиристор проводит ток, складывается из Q _1VBE и Q _2VCESAT параллельно с суммой Q _2VBE и Q _1VCESAT .Мы знаем, что ß устройств BJT падает при перемещении коллекторного базового перехода вперед. смещен в область насыщения, то есть V _CE меньше V _BE . Модель V _CE два транзистора будут опускаться до тех пор, пока не будет выполнено указанное выше уравнение усиления положительной обратной связи и ß _PNP * ß _NPN равно 1.

Также важно отметить, что ß транзисторов BJT очень низок для очень малых значений ток коллектора и из приведенного выше уравнения, тиристор будет оставаться в выключенном состоянии, пока ток утечки настолько мал, что ß _PNP * ß _NPN меньше 1 при такой низкой утечке текущий уровень.

В комплект аналоговых деталей ADALP2000 не входит SCR, но мы можем эмулировать его, построив эквивалентную схему. показано на рисунке 1 © от дискретных транзисторов PNP и NPN.

Материалы:

ADALM2000 Active Learning Module
Макетная плата без пайки
2 – Резисторы 1 кОм
2 – Резисторы 100 кОм
1 – Конденсатор 0,1 мкФ (с маркировкой 104)
1 – малосигнальный транзистор NPN (2N3904)
1 – транзистор PNP с малым сигналом (2N3906 )

Направление:

Постройте модель эквивалентной схемы SCR, как показано на рисунке 2, на своей беспаечной макетной плате.

Рисунок 2 Схема для эмуляции SCR

Два резистора 100 кОм, R ₁ , R ₂ , помещаются поперек соответствующих В _BE каждого транзистора, чтобы гарантировать, что любые небольшие токи утечки не вызывают самопроизвольного срабатывания моделируемого тиристора. Резистор R ₃ преобразует импульс напряжения от AWG2 в ток срабатывания.

Настройка оборудования:

AWG1 должен быть настроен как синусоидальная волна с амплитудой 10 В от пика до пика, нулевым смещением и частотой 100 Гц.AWG2 должен быть сконфигурирован как прямоугольный сигнал с амплитудой 800 мВ от пика до пика, смещение 400 мВ , частота 100 Гц. Убедитесь, что два канала AWG запущены синхронно.

Рисунок 3 Соединения макетной платы схемы для имитации SCR

Процедура:

Запустите осциллограф на канале 1. Наблюдая за входной синусоидой на канале 1 и напряжением. через R _L на канале 2 осциллографа отрегулируйте фазу AWG2 с шагом от 180 ° до 360 °.В зависимости от на настройке фазы AWG2 вы должны увидеть что-то похожее на рисунки ниже. Ты заметишь что напряжение на R _L равно нулю, тиристор в выключенном состоянии, пока не будет запущен импульс запуска от AWG2. происходит, и SCR остается во включенном состоянии до тех пор, пока входное синусоидальное напряжение не пересечет ноль.

Рисунок 4 Пример сигналов

Рисунок 5 Пример осциллограмм Scopy

Измерьте и сообщите о падении напряжения на тиристоре, когда он находится во включенном состоянии и проводит ток.Как это напряжение сравнивается с обычным диодом с PN переходом?

Найдите минимальное импульсное напряжение (амплитуду) над землей, которое запустит SCR, регулируя AWG2. Оцените минимальный ток срабатывания на основе этого напряжения, R ₃ и V _BE Q ₂ . Объясни свой результат.

Попробуйте использовать большие (1 МОм) и меньшие (10 кОм) значения для R ₁ и R ₂ . Как это изменит минимальное напряжение срабатывания?

Заменить резистор R ₃ на 0.Конденсатор 1 мкФ. Этот конденсатор связи действует как дифференциатор превращая прямоугольный импульс на выходе AWG в узкие положительные и отрицательные всплески тока на нарастающие и спадающие фронты прямоугольной волны. Как это влияет, когда и как срабатывает SCR?

Вопросы:

1. Чем тиристор отличается от обычного выпрямительного диода?

2. Изобразите характеристики V, -I SCR. Что вы можете сделать из них?

3. Почему SCR всегда включается током в затвор?

4. Почему нельзя использовать тиристор как двунаправленный переключатель тока?

5. Как SCR контролирует мощность, подаваемую на нагрузку?

6. Почему тиристоры в основном используются в цепях переменного тока?

Если доступен источник меньших (слаботочных) тиристоров, вы можете повторить эксперимент с реальным устройство, а не нашу эмуляцию эквивалентной схемы.

Непреднамеренные паразитные тринисторы в интегральных схемах

Мы исследовали приложения для SCR, которые намеренно используют его характеристики. К сожалению, непреднамеренные SCR могут образовываться в интегральных схемах, и если эти паразитные SCR сработавшая неисправность цепи может привести или даже к проблемам с надежностью и повреждению встроенного схема.

ЗАДЕРЖКА

Блокировка – это потенциально деструктивная ситуация, при которой срабатывает паразитный SCR, замыкая положительные и отрицательные поставки вместе.Если ток не ограничен, электрическое перенапряжение будет происходить. Классический случай фиксации происходит в устройствах вывода CMOS, в которых транзисторы драйвера и ямы образуют четырехслойную структуру PNPN SCR, когда один из двух паразитных переходов база-эмиттер кратковременное смещение вперед во время сбоя из-за перенапряжения. SCR включается и по существу вызывает короткое замыкание между источником питания V _DD и массой.

Поскольку все эти МОП-устройства расположены близко друг к другу на монолитном кристалле, с соответствующими внешними При возбуждении могут включиться паразитные устройства SCR, что характерно для плохо спроектированных схем КМОП.На рис. 4 в упрощенном виде показано поперечное сечение двух транзисторов, одного PMOS и одного NMOS; эти могут быть соединены вместе как логические вентили или как аналоговый усилитель или переключатель. Паразитарный биполярный транзисторы, отвечающие за поведение фиксации, Q ₁ (вертикальный PNP) и Q ₂ (боковой NPN), как указано.

Рисунок 6 Поперечное сечение устройств PMOS и NMOS с паразитными транзисторами Q ₁ и Q ₂

Надлежащие методы проектирования для уменьшения возможности образования SCR включают увеличение расстояния между Устройства NMOS и PMOS и вставка высоколегированных областей между Нвеллом и Пуэллсом.Оба такие подходы к компоновке пытаются снизить ß либо вертикального PNP, либо бокового NPN. паразитных биполярных транзисторов меньше 1. Некоторые из этих методов также имеют тенденцию снижать сопротивление R _PWELL и R _NWELL , которые увеличивают минимальный ток срабатывания, необходимый для включения SCR.

Для дальнейшего чтения:

http://en.wikipedia.org/wiki/Silicon-controlled_rectifier

Электрические повреждения стандартных линейных интегральных схем

Победа в битве против фиксации аналоговых переключателей CMOS

Вернуться к содержанию лабораторных занятий.

Принципы и схемы симистора

– Часть 1

---

Симистор – это управляемый полупроводниковый переключатель мощности переменного тока средней и большой мощности с полуфиксатором. В этой статье, состоящей из двух частей, объясняется его основная работа и показаны различные способы ее использования. Большинство практических схем показывают два набора значений компонентов для использования с обычными бытовыми / коммерческими источниками переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц с номинальными значениями либо 240 В (как используется в большинстве стран Европы), либо (в скобках) 120 В (как используется в большинстве стран). Соединенные Штаты Америки).В каждой конструкции пользователь должен использовать симистор с номинальными характеристиками, соответствующими его или ее конкретному применению.

Основы симистора

РИСУНОК 1. Символы симистора.

РИСУНОК 2. Простой выключатель питания переменного тока с резистивной (ламповой) нагрузкой.

Симистор – это трехконтактный (MT1, затвор и MT2) твердотельный тиристор, который использует альтернативные символы, показанные на рис. 1 , и действует как пара SCR, подключенных обратно параллельно и управляемых через один затвор Терминал.Он может проводить ток в любом направлении между своими выводами MT1 и MT2 и, таким образом, может использоваться для непосредственного управления мощностью переменного тока. Он может запускаться как положительными, так и отрицательными токами затвора, независимо от полярности тока MT2, и, таким образом, он имеет четыре возможных режима запуска или «квадрантов», обозначенных следующим образом:

I + Mode = ток MT2 + ve, ток затвора + ve
I- Mode = ток MT2 + ve, ток затвора -ve
III + Mode = ток MT2 -ve, ток затвора + ve
III + Mode = ток MT2 -ve, затвор текущий -ve

Чувствительность по току триггера является максимальной, когда токи MT2 и затвор имеют одинаковую полярность (либо положительную, либо отрицательную), и обычно примерно вдвое меньше, когда они имеют противоположную полярность.

На рисунке 2 показан симистор, используемый в качестве простого переключателя питания переменного тока, управляющего резистивной ламповой нагрузкой; Предположим, что SW2 закрыт. Когда SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор включается через резистор R1 и автоматически фиксируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку. Симистор автоматически отключается в конце каждого полупериода переменного тока, когда мгновенное напряжение питания (и, следовательно, ток нагрузки) на короткое время падает до нуля.

В рис. 2 задача R1 состоит в том, чтобы ограничить пиковый мгновенный ток затвора включения симистора до безопасного значения; его сопротивление (в сочетании с сопротивлением нагрузки) должно быть больше, чем пиковое напряжение питания (примерно 350 В в цепи 240 В переменного тока, 175 В в цепи 120 В), деленное на пиковое значение тока затвора симистора (которое обычно указывается в документации производителя симистора). расширенные листы данных).

Примечание в Рисунок 2 (и в большинстве других схем симистора, показанных в этой мини-серии), что – по соображениям безопасности – нагрузка подключена последовательно с нейтралью (N) источника переменного тока и главным выключателем. SW2 может изолировать всю цепь от линии под напряжением (L).

Влияние скорости симистора

РИСУНОК 3. Простой выключатель питания переменного тока с индуктивной нагрузкой и демпфирующей цепью C1-R2 для подавления эффекта скорости.

Большинство симисторов, таких как тиристоры, подвержены проблемам, связанным с «эффектом скорости». Между основными выводами и затвором симистора неизбежно существуют внутренние емкости, и если на любом из основных выводов появляется резко возрастающее напряжение, это может – если его скорость нарастания превышает номинальное значение dV / dt симистора – вызвать достаточный прорыв в цепи. вентиль для срабатывания симистора.Это нежелательное включение «эффекта скорости» может быть вызвано переходными процессами в линии питания; проблема, однако, особенно серьезна при управлении индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, в которых токи и напряжения нагрузки не совпадают по фазе, что приводит к внезапному появлению большого напряжения на основных клеммах каждый раз, когда симистор расцепляется, когда падает его основной ток. почти до нуля в каждом рабочем полупериоде.

Проблемы, связанные с эффектом скорости, обычно можно преодолеть, подключив RC ‘демпферную’ сеть между MT1 и MT2, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения до безопасного значения, как показано (например) в схеме переключателя мощности симистора в Рисунок 3 , где R2-C1 образуют снабберную сеть.Некоторые современные симисторы имеют повышенные значения dV / dt (обычно 750 В / мСм) и практически невосприимчивы к проблемам, связанным с изменением скорости; эти симисторы известны как «демпферные» типы.

Подавление радиопомех

РИСУНОК 4. Базовый диммер лампы переменного тока с подавлением радиопомех через C1-L1.

Симистор может использоваться для обеспечения переменного управления мощностью переменного тока с помощью техники «переключения с фазовой задержкой», при которой симистор запускается частично в течение каждого полупериода.Каждый раз, когда симистор запускается, его ток нагрузки резко (за несколько микросекунд) переключается с нуля на значение, установленное его сопротивлением нагрузки и мгновенными значениями напряжения питания. В резистивно нагруженных схемах, таких как диммеры ламп, это действие переключения неизбежно генерирует импульс RFI, который является наименьшим, когда симистор срабатывает близко к точкам пересечения нуля 0 ° и 180 ° формы сигнала линии питания (в которых переключатель -включенные токи минимальны) и максимальны, когда устройство срабатывает под углом 90 ° после начала каждого полупериода (когда токи включения максимальны).

Импульсы радиопомех возникают с частотой, вдвое превышающей частоту питающей сети, и могут очень раздражать. В диммерах лампы радиопомехи обычно можно устранить, оснастив диммер простой сетью фильтров L-C, как показано на Рис. 4 . Фильтр устанавливается рядом с симистором и значительно снижает скорость нарастания токов в сети переменного тока.

РИСУНОК 5. Символ диак.

Диаки и квадраки

Диак – двунаправленное триггерное устройство с двумя выводами; он может использоваться с напряжениями любой полярности и обычно используется вместе с симистором; Рисунок 5 показывает его схемное обозначение.Основное действие диака таково, что при подключении к источнику напряжения через токоограничивающий нагрузочный резистор он действует как высокий импеданс, пока приложенное напряжение не возрастет примерно до 35 В, после чего он срабатывает и действует как низкоомный 30 В. стабилитрон, и 30 В вырабатывается через диак, а оставшиеся 5 В появляются на нагрузочном резисторе. Диак остается в этом состоянии до тех пор, пока его прямой ток не упадет ниже минимального удерживаемого значения (это происходит, когда напряжение питания упадет ниже значения стабилитрона 30 В), после чего диак снова выключится.

РИСУНОК 6. Базовая схема диммера лампы с регулируемой фазовой задержкой диакритического типа.	Рисунок 7. Символ квадрак.

Диак наиболее часто используется в качестве триггерного устройства в приложениях с регулируемой мощностью симистора с синхронизацией по фазе, как в базовой схеме диммера лампы Рис. 6 . Здесь, в каждом полупериоде линии электропередачи, сеть R1-RV1-C1 применяет версию полупериода с переменной фазовой задержкой к затвору симистора через диак, и когда напряжение C1 повышается до 35 В, диак срабатывает и подает пусковой импульс 5 В (от C1) на затвор симистора, тем самым включая симистор и одновременно подавая питание на ламповую нагрузку и отключая привод от RC-сети.Таким образом, средняя мощность нагрузки (интегрированная за полный период полупериода) полностью изменяется от почти нуля до максимума через RV1.

В первые дни разработки симистора некоторые специальные устройства производились со встроенным диаком, последовательно соединенным с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали обозначение цепи Рис. 7 . Квадраки не имели коммерческого успеха и теперь устарели.

Варианты выключателя питания переменного тока

Самым простым типом переключателя питания симистора является переключатель , рис. 2 , в котором симистор включается через R1, когда SW1 замкнут; только 1 В или около того генерируется на симисторе, когда он включен, поэтому R1 и SW1 потребляют очень мало средней мощности; На рис. 3 показана та же схема, снабженная «демпфирующей» сетью.Есть много полезных вариаций этих основных схем. Рисунок 8 , например, показывает версию, которая может запускаться через источник постоянного тока переменного тока. C1 заряжает (через R1-D1) до +10 В на каждом положительном полупериоде линии питания переменного тока, и этот заряд запускает симистор, когда SW1 замкнут. Обратите внимание, что R1 постоянно находится под почти полным напряжением сети переменного тока и, следовательно, требует довольно высокой номинальной мощности, и что все части этой цепи находятся под напряжением, что затрудняет взаимодействие с внешней схемой управления.

РИСУНОК 8. Выключатель питания переменного тока с запуском по переменному току постоянного тока.	РИСУНОК 9. Выключатель переменного тока с изолированным входом (оптопара), срабатывание по постоянному току.

На рисунке 9 показана приведенная выше схема, модифицированная для обеспечения «изолированного» взаимодействия с внешней схемой управления. SW1 просто заменяется транзистором Q2, который управляется со стороны фототранзистора оптопары.Светодиод соединителя питается от внешнего источника постоянного тока через R1, а симистор включается только тогда, когда SW1 замкнут; При желании SW1 можно заменить электронной схемой переключения.

РИСУНОК 10. Выключатель переменного тока с изолированным входом, срабатывающий по переменному току.	РИСУНОК 11. Выключатель переменного тока с транзисторным запуском по постоянному току.

На рисунке 10 показан вариант, в котором симистор запускается переменным током в каждом полупериоде через импеданс переменного тока C1-R1 и через встречные стабилитроны ZD1-ZD2, а C1 рассеивается почти до нуля. мощность.Мостовой выпрямитель D1-D4 подключен к сети ZD1-ZD2-R2 и нагружен Q2. Когда Q2 выключен, мост фактически открыт, и симистор включается в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, на ZD1-ZD2-R2 появляется короткое замыкание, и симистор выключен. Q2 управляется через оптопару от изолированной внешней цепи, и симистор включен, когда SW1 открыт, и выключен, когда SW1 закрыт.

РИСУНОК 12. Выключатель переменного тока с изолированным входом и запуском по постоянному току.

На рисунках 11 и 12 показаны варианты, в которых симистор запускается через трансформаторный источник постоянного тока и транзисторный переключатель. В , рис. 11, , Q2 и симистор оба включены, когда SW1 закрыт, и выключены, когда SW1 открыт. На практике SW1 может быть заменен электронной схемой, позволяющей активировать симистор с помощью тепла, света, звука, времени и т. Д. Обратите внимание, однако, что вся эта схема находится под напряжением.’ На рисунке 12 показана схема, модифицированная для работы оптопары, что позволяет активировать ее через полностью изолированную внешнюю схему.

Срабатывание UJT

Другой способ получить полностью изолированное переключение симистора – использовать схемы UJT, показанные на рис. 13 и 14 , где UJT представляет собой старый тип 2N2646 или его современный почти эквивалент. В этих схемах триггерное действие обеспечивается генератором UJT Q2, который работает на частоте нескольких кГц и подает выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор T1, который обеспечивает желаемую «изоляцию».«Из-за своей довольно высокой частоты колебаний, UJT запускает симистор в пределах нескольких градусов от начала каждого полупериода линии питания переменного тока, когда генератор активен.

РИСУНОК 13. Выключатель переменного тока с изолированным входом (с трансформаторной связью).	РИСУНОК 14. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом.

На рис. 13 , Q3 включен последовательно с главным синхронизирующим резистором UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при замкнутом SW1.В Рис. 14 Q3 подключен параллельно с главным конденсатором синхронизации UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при разомкнутом SW1.

РИСУНОК 15. Типичная схема симистора с оптопарой и рабочие характеристики.

Рис. 16. Управление лампой малой мощности через симистор с оптронной связью.

Симисторы с оптопарой

Затворные переходы «голого» симистора по своей природе светочувствительны, и, таким образом, симистор с оптопарой может быть изготовлен путем установки «голого» симистора и светодиода близко друг к другу в одном корпусе. Рисунок 15 показывает схему и перечисляет характеристики типичной шестиконтактной версии DIL такого устройства, в которой светодиод имеет максимальный номинальный ток 50 мА, симистор имеет максимальные номинальные значения 400 В и 100 мА RMS (и номинальный ток 1,2 А для 10 мс), и весь пакет имеет номинальное напряжение изоляции 1,5 кВ и типичную чувствительность срабатывания триггера по входному току 5 мА.

Симисторы с оптопарой

просты в использовании и обеспечивают отличную гальваническую развязку между входом и выходом.Вход используется как обычный светодиод, а выход как маломощный симистор. На рисунке 16 показано устройство, используемое для активации лампы накаливания с питанием от сети переменного тока, которая должна иметь номинальное значение RMS ниже 100 мА и пиковое значение пускового тока ниже 1,2 А.

РИСУНОК 17. Управление высокой мощностью через ведомый симистор.	РИСУНОК 18. Возбуждение индуктивной нагрузки.

На рисунке 17 показан симистор с оптопарой, используемый для активации ведомого симистора, тем самым управляя нагрузкой любой желаемой номинальной мощности.Эта схема подходит для использования только с неиндуктивными нагрузками, такими как лампы и нагревательные элементы. Его можно модифицировать для использования с индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, с помощью соединений в Рисунок 18 . Здесь сеть R2-C1-R3 обеспечивает некоторый фазовый сдвиг в сети симисторного затвора-привода, чтобы гарантировать правильное срабатывание симистора, а R4-C2 образуют демпферную сеть для подавления эффектов скорости.

Синхронное переключение мощности без напряжения

Синхронный переключатель мощности с нулевым напряжением (или интегральным циклом) – это переключатель, в котором симистор неизменно включается сразу после начала каждого полупериода мощности (т.е.е., около точки нулевого напряжения формы сигнала), а затем снова автоматически отключается в конце, создавая минимальные радиопомехи. В большинстве схем переключения мощности, показанных до сих пор в этой статье, симистор включается в произвольной точке своего начального полупериода включения, таким образом создавая потенциально высокий начальный всплеск радиопомех, но затем дает синхронное действие переключения при нулевом напряжении. на всех последующих полупериодах.

Истинно синхронная цепь с нулевым напряжением использует систему переключения, показанную на рис. 19 , в которой симистор может быть включен только около начальной точки или точки «нулевого напряжения» каждого полупериода, и, таким образом, создает минимальные радиопомехи.Эта система широко используется для включения / выключения сильноточных нагрузок, таких как электрические нагреватели и т. Д.

РИСУНОК 19. Система синхронного переключения питания переменного тока при нулевом напряжении.	РИСУНОК 20. Выключатель синхронного переменного тока.

На рисунке 20 показан практический синхронный выключатель питания переменного тока с нулевым напряжением; 10 В постоянного тока генерируется переменным током через R7-D1-ZD1 и C2 и подключается к затвору симистора через Q2, который управляется через SW1 и детектор нулевого напряжения Q3-Q4-Q5 и может обеспечивать ток затвора только при включенном SW1. закрыт, а Q3 выключен.

РИСУНОК. 21 Альтернативный вариант синхронного выключателя питания переменного тока.

В детекторе нулевого напряжения Q4 или Q5 включаются всякий раз, когда напряжение сети переменного тока больше или меньше нескольких вольт (заданных RV1) выше или ниже нуля, тем самым активируя Q3 через R5 и блокируя Q2. Таким образом, ток затвора может подаваться на симистор только тогда, когда SW1 замкнут, а мгновенное линейное напряжение переменного тока находится в пределах нескольких вольт от нуля; Таким образом, эта схема генерирует минимальные радиопомехи при переключении.

На рисунке 21 показана схема, измененная таким образом, что симистор может включаться только при разомкнутом SW1. Обратите внимание, что в обоих случаях на симистор подается только узкий импульс тока затвора, и поэтому средний ток затвора составляет всего 1 мА или около того. SW1 при желании может быть заменен электронным переключателем или оптопарой, что позволяет активировать нагрузку по световым или температурным уровням, по времени и т. Д.

На практике, самый простой способ создания действительно эффективной синхронной схемы управления симистором «нулевого напряжения» – это использование специальной ИС, которая функционирует как маломощный синхронный симистор «нулевого напряжения» с оптопарой, который может легко использоваться в качестве ведомого устройства для синхронного управления обычным высокомощным симистором.