Тиристоры КУ221А, КУ221Б, КУ221В, КУ221Г, КУ221Д
Тиристоры КУ221А, КУ221Б, КУ221В, КУ221Г, КУ221Д кремниевые диффузионные p-n-p-n. Предназначены для применения в качестве ключевых элементов в схемах телевизионных приёмников цветного изображения и генераторах мощных импульсов при частоте повторения импульсов тока до 30 кГц. Выпускаются в металлостеклянном корпусе фланцевой конструкции с жёсткими выводами. Анодом является основание.
Масса тиристора не более 7 гр.
Чертёж тиристора КУ221А, КУ221Б, КУ221В, КУ221Г, КУ221Д
| Импульсное напряжение в открытом состоянии при Iо с, и=20 А, τи=40 мкс, Iу, пр, и=0,15-0,5 А, не более | 3,5 В |
| Отпирающее постоянное напряжение управления при Uа с=10 В, Iо с=0,1 А для КУ221Г, КУ221Д, не более | 3,0 В |
| Отпирающее импульсное напряжение управления при Uа с=400 В, Iо с, и=11 А, τи=10-50 мкс, Iу, пр, и=150 мА, ty=2 мкс, не более | 7,0 В |
| Неотпирающее постоянное напряжение управления при Uа с, и=Uзс, и, duз с/dt=(duз с/dt)макс, не менее | 0,05 В |
| Повторяющийся импульсный ток в закрытом состоянии при Uзс, и=Uзс, и, Тк=85°С, не более | 0,3 мА |
| Ток удержания при Uз с=25 В, не более | 100 мА |
| Отпирающий постоянный ток управления при Uз с=10 В, Iо с=0,1 А для КУ221Г, КУ221Д, не более | 100 мА |
| Отпирающий импульсный ток управления при Uа с=400 В, Iо с, и=11 А, τи=10-50 мкс, ty=2 мкс, не более | 150 мА |
| Время выключения | |
| при Uзс, и=100 В, duз с/dt=400 В/мкс, Iо с, и=11 А (синусоидальной формы), τи=10 мкс, Uу, обр, и=2 В, Тк=80°С для КУ221А, не более | 4,5 мкс |
| при Uзс, и=500 В, duз с/dt=200 В/мкс, Iо с, и=6 А (пилообразной формы), τи=27 мкс, Uу, обр, и=30 В, Тк=80°С для КУ221Б, не более | 6,0 мкс |
| при Uзс, и=500 В, duз с/dt=200 В/мкс, Iо с, и=3 А (пилообразной формы), τи=27 мкс, Uу, обр, и=30 В, Тк=80°С для КУ221В, не более | 2,4 мкс |
| при Uзс, и=Uзс, п, duз с/dt=200 В/мкс, Iо с, и=12 А (синусоидальной формы), τи=10-20 мкс, Uу, обр, и=2 В, не более | |
| КУ221А, КУ221Б, КУ221В | 10 мкс |
| КУ221Г, КУ221Д | 20 мкс |
| при Uзс, и=Uзс, п, duз с/dt=50 В/мкс, Iо с, и=80 А (прямоугольной формы), τи=10 мкс, Rу=51 Ом, Тк=100°С, не более | 30 мкс |
Предельные эксплуатационные данные.
| Повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии при Тк=85°С | |
| КУ221А, КУ221В | 700 В |
| КУ221Б | 750 В |
| КУ221Г | 600 В |
| КУ221Д | 500 В |
| Неповторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии при Тк=85°С | |
| КУ221А, КУ221В | 750 В |
| КУ221Б | 800 В |
| КУ221Г | 700 В |
| КУ221Д | 600 В |
| Максимально допустимое постоянное напряжение в закрытом состоянии | 300 В |
| Повторяющееся импульсное обратное напряжение | 50 В |
| Максимально допустимая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии | |
| КУ221А | 500 В/мкс |
| КУ221Б, КУ221В, КУ221Г, КУ221Д | 200 В/мкс |
| Максимально допустимое обратное импульсное напряжение управления | |
| КУ221А, КУ221Г, КУ221Д | 10 В |
| КУ221Б, КУ221В | 30 В |
| Максимально допустимый импульсный ток в открытом состоянии при Тк от -40 до 75°С | |
| пилообразной формы при ƒ=16 кГц, τи=27 мкс для КУ221А, КУ221Б, КУ221В | 8 А |
| синусоидальной формы при ƒ=16 кГц, τи=13 мкс для КУ221А, КУ221Б, КУ221В | 15 А |
| синусоидальной формы при ƒ=50 Гц, τи=50 мкс | 100 А |
| экспоненциальной формы при ƒ=3 Гц, τи р=80 мкс, τи=1,5 мс | 70 А |
| Максимально допустимый средний ток в открытом состоянии при ƒ=50 Гц, β=180° | |
| Тк=75°С | 3,2 А |
| Тк=85°С | 1,0 А |
| Максимально допустимая скорость нарастания тока в открытом состоянии | |
| КУ221А, КУ221В | 1150 А/мкс |
| КУ221Б | 1250 А/мкс |
| КУ221Г | 1050 А/мкс |
| КУ221Д | 900 А/мкс |
| Минимально допустимый прямой импульсный ток управления | |
| КУ221А, КУ221Б, КУ221В | 0,15 А |
| КУ221Г, КУ221Д | 0,1 А |
| Максимально допустимый прямой импульсный ток управления | 2,0 А |
| Максимально допустимое время нарастания прямого импульсного тока управления | 0,1 мкс |
| Минимально допустимая длительность прямого импульсного тока управления | 2,0 мкс |
| Максимально допустимая длительность прямого импульсного тока управления | 30 мкс |
| Температура окружающей среды | От -40 до Тк=85°С |
Примечания: 1. Для КУ221В допускается Uз с, п=750 В при Тк=80°С.
2. Для КУ221А допускается duз с/dt=700 В/мкс при условии приложения Uз с, и через 12 мкс после окончания импульса тока в открытом состоянии.
3. В режимах, отличных от телевизионных, duз с/dt не более 50 В/мкс при Rу=51 Ом.
4. Допускается уменьшение Iу, пр, и мин при Uу, от, и=7 В для КУ221А, КУ221Б, КУ221В и при Uу, от, и=3 В для КУ221Г, КУ221Д.
5. В режимах отличных от телевизионных, Iу, пр, и мин=1 А, Iпр.ср.макс=3 А.
6. На момент окончания импульса управления ток в открытом состоянии должен быть не менее 0,3 А, а для КУ221Г и КУ221Д (в телевизионном режиме) — не менее 0,15 А.
Указания по монтажу.
Чистота обработки поверхности охладителя должна быть не хуже 1,25. Время пайки выводов при температуре припоя до 250°С не должно превышать 4 с. Пайка допускается на расстоянии от корпуса тиристора не ближе 4 мм.
Графическая таблица тиристора КУ221А, КУ221Б, КУ221В, КУ221Г, КУ221Д
Схема фазового регулятора мощности для нагрузки 220В (КУ221Г)
Принципиальная схема фазового регулятора мощности для нагрузки с питанием от 220В, который выполнен с применением тиристоров КУ221. В цветных телевизорах УПИМЦТ отечественного производства, отрицательно знаменитых качеством узлов строчной развёртки, в модуле БР-13 применялись высоковольтные тринисторы серии КУ221 — по три тринистора в каждом телевизоре.
В настоящее время сохранившиеся экземпляры таких телевизоров интересуют разве что немногих коллекционеров, поэтому, дожившие до наших дней такие телевизоры можно невозбранно разбирать на запчасти.
Принципиальная схема
Принципиальная схема фазового регулятора мощности, предназначенного для управления лампой накаливания в настольном светильнике, показана на рис. 1. В силовом ключе устройства использованы две штуки тринисторов серии КУ221, включенных встречно-параллельно.
Тринисторы этой серии отличаются значительно более высокой надёжностью, чем популярные в прошлом веке отечественные тринисторы серий КУ201, КУ202 и симисторы серии КУ208 [1].
Рис. 1. Принципиальная схема фазового регулятора мощности на тиристорах КУ221.
Также, тринисторы серии КУ221 устойчивы к значительным кратковременным перегрузкам, например, легко переживают событие перегорания лампы накаливания, во время которого внутри колбы образуется дуговой разряд, в то время, когда большинство импортных мощных симисторов в корпусе ТО-220, при этих обстоятельствах получают пробой кристалла.
Напряжение сети переменного тока 230 В поступает на силовой ключ через замкнутые контакты выключателя питания SA1, плавкий предохранитель FU1 и двухобмоточный дроссель L1. Фильтр C1L1C2 уменьшает уровень помех, как поступающих от работающего фазового регулятора в сеть питания, так и в обратную сторону. На тринисторы серии КУ221 допускается подача обратного напряжения не более 50 В, поэтому они включены через диоды VD5, VD6, которые защищают тринисторы от обратного напряжения.
К управляющим выводам мощных тринисторов через токоограничительный резистор R1 подключен мостовой диодный выпрямитель VD1 — VD4. Выпрямленное сетевое напряжение через резистор R6 поступает на узел управления, выполненный на аналоге однопереходного транзистора VТ3, VТ4.
Когда напряжение на выводе базы VТ4 станет больше -0,6 В относительно вывода эмиттера этого транзистора, VТ3, VТ4 лавинообразно откроются, конденсатор С3 быстро разрядится через открытые переходы этих транзисторов, токоограничительный резистор R5 и эмиттерный переход транзистора VТ1. Высоковольтные транзисторы VТ1, VТ2 включены как аналог чувствительного маломощного тринистора, в момент разряда СЗ лавинообразно открываются, ток через управляющие электроды мощных тринисторов VS1, VS2 увеличивается.
В зависимости от направления полуволны сетевого напряжения переменного тока открывается, или тринистор VS1, или VS2. На подключенную нагрузку — лампу накаливания EL1 через помехоподавляющий фильтр L2C4 поступает напряжение питания. Уровень поступающей на нагрузку мощности регулируют переменным резистором R11, чем меньше установленное сопротивление этого резистора, тем большая мощность подаётся в нагрузку. Фазовую задержку открывания симисторов обеспечивает конденсатор СЗ. Последовательно включенные светодиод HL1 и стабилитрон ограничивают рост напряжения на элементах регулировочного узла.
Этот регулятор рассчитан на управление подключенной нагрузкой, потребляющей мощность до 250 Вт. Следует отметить, что большинство светильников — настольных ламп, даже изготовленных в цельнометаллическом корпусе, рассчитаны на эксплуатацию с лампой накаливания мощностью не более 60 Вт. Плавкий предохранитель FU1 установлен на относительно большой ток с целью сохранить свою целостность в момент перегорания лампы накаливания.
Детали и конструкция
Большинство деталей устройства установлены на полукруглой монтажной плате, размеры и форма которой подогнаны под установку в металлическом корпусе основания диаметром 165 мм отечественной настольной лампы модели ННБ37-60-018 УХЛ4, изготовленной по ГОСТ 8607-82.
Для изоляции токоведущих элементов конструкции от корпуса светильника используется плотная стеклоткань, приклеенная двусторонней монтажной липкой лентой и клеем «БФ».
Рис. 2. Цоколевка транзисторов КТ502, КТ503 и тиристора КУ221.
Переменный резистор применён типа СПЗ-35, можно заменить, например, на СПЗ-30а, СП-1, СПЗ-12, СПЗ-4, СПЗ-33-32 или аналогичный. На ось переменного резистора должна быть надета регулировочная ручка из изоляционного материала. Остальные резисторы типов РПМ, МЯТ, С1-4, С1-14, С2-14, С2-33 или аналоги.
Конденсатор С1 керамический типа К15-5, вместо такого конденсатора можно установить любой керамический или плёночный на рабочее напряжение постоянного тока не менее 630 В или переменного не менее 275 В, например, К73-17, К73-24, К73-39. Такими же конденсаторами можно заменить С2 и С4. Конденсатор СЗ плёночный малогабаритный.
Вместо диодов GUR460 можно установить FR304 — FR307, FR604G — FR607G, PR3004 -PR3007, SRP300J, 1 N5404 — 1N5408, КД257Б — КД257Д, КД202М, 2Т202Т.
Диоды 1N4007 заменимы на 1N4005, 1N4006, UF4005- UF4007, RU3AM, 1N4936GP, 1N4937GP, FR155 — FR157, КД209Б, КД221В, КД243Г, КД247Д. Вместо светодиода АЛ316А красного цвета свечения подойдёт любой из серий АЛ341, КИПД21, КИПД40, L-1503, RL52, RL54, DB5-436. Для светодиода в основании светильника просверлено дополнительное отверстие.
Вместо стабилитрона Д814Д подойдёт любой из Д814Д1, КС213Ж, 1N4743A, 1N4743A,BZV55C-12,BZV55C-13, TZMC-13. Вместо транзистора KF13001 подойдёт MJE13001, MJE13002, MJE13003, MJE340, BF420, BF393, М PSA-42, 2N6517.
Транзистор BF421 заменим на BF493, MJE350, 2N6520, 2SA1625, 2SA1700, MPSA-44. Вместо транзистора КТ503Б подойдёт любой из серий КТ503, КТ3117, КТ6111, КТ6113, КТ645, SS8050, 2SC2116, 2SD261, SS8050, SS9013. Транзистор КТ502Е, можно заменить любым из КТ502, КТ209, КТ6112, КТ6115, КТ639, SS8550, SS9012, 2SA643, 2SA1048, 2SA1150, 2SA1378.
Учитывайте, что транзисторы даже одного типа, но разных изготовителей, могут иметь отличия в цоколёвке выводов. Тринисторы КУ221 работают без дополнительного металлического теплоотвода, можно устанавливать в паре тринисторы с разными буквенными индексами. Цоколёвка выводов применённых транзисторов и тринисторов показана на рис. 2.
Выключатель SA1 установлен клавишный на шнуре питания светильника. Двухобмоточный дроссель L1 применён готовый от компьютерного БП, выполненный на Ш-образном ферритовом сердечнике.
Подойдёт любой аналогичный с общим сопротивлением обмоток до 2 Ом, индуктивность, чем больше, тем лучше. Дроссель L2 самодельный, намотан на двух ферритовых стержнях 400НН диаметром 8 мм, длиной по 40 мм. На каждом стержне намотано по 60 витков обмоточного провода диаметром 0,39 мм, намотка виток к витку поверх двусторонней липкой бумажной ленты.
Катушки дросселя располагают параллельно одна другой так, чтобы их магнитный поток был замкнутым. Дроссели и конденсаторы LC фильтров обёрнуты стеклотканью и приклеены к внутренней стороне основания корпуса светильника.
Налаживание
Изготовленное из исправных деталей устройство начинает работать сразу. При желании, подбором конденсатора СЗ можно установить минимальную устанавливаемую яркость свечения лампы накаливания.
Этот фазовый регулятор мощности можно также применить для регулировки рабочей температуры электропаяльников, для регулировки оборотов маломощных коллекторных электродвигателей, рассчитанных на подключение к сети переменного тока 230 В. Минимальная мощность подключаемой нагрузки может быть 8 Вт.
Тиристор. Описание, принцип работы, свойства и характеристики.
Тиристор — это довольно архаичный полупроводниковый прибор, ранее широко применявшийся в качестве силового ключа для управления мощной нагрузкой.
И хотя в настоящее время данный элемент уступает свои позиции симисторам (в цепях переменного тока) и силовым транзисторным ключам (в цепях постоянного тока), кривая совокупного радиолюбительского интереса к устройствам, выполненным на тиристорах, всё ещё находится на достаточно высоком уровне.
Приобщимся к процессу получения знаний, касающихся характеристик, принципов работы, а также способов управления тиристорами, и мы.
Итак.
Тиристор — это трёхвыводной полупроводниковый прибор, с тремя (иногда четырьмя) p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния:
— состояние низкой проводимости (закрытое состояние);
— состояние высокой проводимости (открытое состояние).
Рис.1
На Рис.1 показано устройство тиристора и двухтранзисторная эквивалентная модель, позволяющая пояснить работу прибора в режиме прямого запирания.
Добавим для кучи вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления тиристорами — подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).
Рис.2
1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод тиристора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0).
Тока через нагрузку нет (участок III на ВАХ), тиристор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на аноде тиристора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся — зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее — при достижении этого уровня напряжения (точка II на ВАХ) тиристор отпирается, падение напряжения между анодом и катодом падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети — наступает рабочий режим открытого тиристора (участок I на ВАХ).
Чтобы закрыть тиристор нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже тока удержания. Причём данное анодное напряжение должно быть многократно ниже отпирающего напряжения.
2. Для того, чтобы снизить величину напряжения включения тиристора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение тиристора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике больше не будет, и ВАХ тиристора станет похожа на ВАХ диода.
Абсолютно так же, как и в прошлом случае, чтобы закрыть тиристор необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.
Обратная часть вольт-амперной характеристики (участок IV) соответствует режиму обратного запирания полупроводника и обычно не используется. Тиристор остается закрытым, пока не наступит тепловой пробой.
Итак, определились. Для открывания тиристора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания — снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на аноде) ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 — тиристор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения анодным напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом выпрямленного сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.
Описанный способ управления тиристором посредством подачи на управляющий электрод постоянного тока прост, но обладает существенным недостатком — требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту — 200мА для КУ202).
Реальные величины тока управляющего электрода, достаточного для включения тиристора при комнатных температурах, обычно в несколько раз меньше цифр, приведенных в паспортных характеристиках (20-40мА для КУ202). Однако в большинстве случаев для управления тиристорами используется всё ж таки импульсный метод, либо метод, при котором открытый тиристор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.
Рассмотрим подобный метод на примерах.
На Рис.3 представлена простейшая классическая тиристорная схема регулятора мощности.
Диодный мост Br1 преобразует двуполярное сетевое напряжение в однополярное удвоенной частоты, что позволяет регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, поступающая через резисторы R1 и R2 на управляющий электрод полупроводника. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора VS1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке.
Чем меньше будет значение R2, тем больше будет ток, поступающий на управляющий электрод, тем раньше откроется тиристор. При R2=0 — мощность в нагрузке максимальна (верхняя диаграмма).
При повороте ручки потенциометра R2, его сопротивление увеличивается, ток на управляющем электроде уменьшается, поэтому тиристор откроется уже не в начале полуволны, а спустя некоторое время, когда ток достигнет необходимого уровня.
Помимо этого, при увеличении сопротивления R2, управляющий сигнал получает дополнительную задержку, благодаря действию фазосдвигающей RC-цепочки, образованной R1, R2 и С1, что, в свою очередь, позволяет ещё больше расширить диапазон регулировки мощности.
Если нагрузка такова, что её необходимо запитать двуполярным переменным напряжением, схему можно преобразовать без какого-либо увеличения сложности.
Всё тоже самое, только с другой стороны.
Как мы уже упоминали, рассматриваемые устройства являются простейшими и не лишены определённых недостатков. Их основными минусами являются слабая помехозащищённость, сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. К тому же, в связи с низким входным сопротивлением тиристора по управляющему входу, работа фазосдвигающей RC-цепи оказывается весьма неэффективной, что, в свою очередь, обуславливает недостаточно широкий диапазон регулировки мощности.
Значительно лучшим образом работают схемы, в которых формирование импульсов управления происходит посредством отдельных схем, выполненных на транзисторах, цифровых либо специализированных микросхемах. Однако, поскольку, всё имеет свои плюсы и минусы, то расплачиваться за усовершенствования приходится усложнением конструкции и необходимостью применения отдельного источника питания.
Поскольку в цепях постоянного тока тиристоры давно и без сожаления уступили место мощным транзисторам, специально спроектированным для работы в ключевых режимах, то и рассматривать их в данном контексте не имеет никакого основания.
А вот основные характеристики отечественных и зарубежных тиристоров окажутся совсем не лишними в копилке знаний пытливого радиолюбительского ума.
Тиристоры, максимальное прямое напряжение которых не дотягивает до амплитудного значения напряжения сети (300В) к рассмотрению также принимать не станем.
А на следующей странице мы рассмотрим принцип работы, свойства и характеристики симметричных триодных тиристоров — симисторов.
