Текст книги "Электроника?.. Нет ничего проще!"

Автор книги: Жан-Поль Эймишен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 12 (всего у книги 21 страниц)

Но прежде чем рассказать тебе о двигателях, сконструированных специально для переменного тока, я задам тебе один вопрос; что произойдет, если включить в цепь переменного тока двигатель, якорь и коллектор которого рассчитаны на постоянный ток?

Н. – Я полагаю, что это ему совсем не понравится!

Л. – Я спрашиваю тебя не о его настроении, а о физических явлениях, которые могут произойти в двигателе.

Н. – Я думаю, что он начнет вибрировать, вращаясь чуть-чуть то в одну, то в другую сторону… до тех пор, пока вконец не испортится.

Л. – Ты прав, если мы возьмем двигатель, у которого статором служит постоянный магнит. У таких двигателей направление вращения действительно изменяется при изменении направления, протекающего по якорю тока. Совершенно другая картина получится, если мы возьмем двигатель, статор которого представляет собой электромагнит, а его катушка включена последовательно с обмоткой якоря, как это очень часто делают (рис. 98); при изменении направления тока произойдет перемагничивание электромагнита. В этих условиях при любом направлении тока, протекающего в обмотке якоря и соединенной с нею последовательно обмотке статора, двигатель всегда будет вращаться в одну сторону.

Рис. 98 В универсальном двигателе последовательного возбуждения обмотка статора включается последовательно с обмоткой якоря.

Н. – Ты очень неудачно шутишь. Так ты утверждаешь, что изменить направление движения такого двигателя невозможно?

Л. – Можно и несложно. Для этого нужно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Достаточно переключить выводы электромагнита статора или якоря, и двигатель изменит направление вращения. Но если одновременно изменить направление тока и в якоре и в статоре, то направление вращения двигателя останется прежним. Поэтому, если такой двигатель питать переменным током, он всегда будет вращаться в одну сторону. Должен сказать, что это получило широкое распространение, и поэтому двигатель, в котором возбуждение статора осуществляется током, прошедшим через якорь, называется универсальным двигателем. Такой двигатель работает от постоянного тока, работает и от переменного, хотя и не так хорошо.

Н. – Почему не так хорошо? Он считает, что его обидели?

Двухфазный двигатель

Л. – Незнайкин, где твоя серьезность? Если он не так хорошо работает на переменном токе, то причина заключается просто в том, что переменный ток часто сам себя подавляет, а при небольшом значении он сообщает двигателю малый крутящий момент. Кроме того, наш двигатель обладает некоторой самоиндукцией, препятствующей прохождению переменного тока по обмоткам. А теперь мы рассмотрим принципиально иной двигатель, рассчитанный для работы только от переменного тока и успешно применяющийся в самых различных условиях, я имею в виду двухфазный двигатель. Посмотрим на рис. 99. Я взял электромагнит, аналогичный обычному статору классического двигателя, и пустил в его обмотку переменный ток. Какое магнитное поле образуется между полюсными сердечниками?

Рис. 99. Протекающий по обмоткам переменный ток создает переменное магнитное поле.

Н. – Сначала скажи, правильно ли я понял, что полюсными сердечниками ты называешь выступы, на которые надета обмотка?

Л. – Совершенно верно, они снабжены полюсными башмаками, почти вплотную подходящими к якорю, но вернемся к моему вопросу.

Н. – Я полагаю, что магнитное поле пойдет от одного полюсного сердечника к другому. Сначала по мере повышения тока оно будет увеличиваться, потом снизится до нуля, после чего опять начнет увеличиваться в обратном направлении.

Л. – Совершенно верно, а теперь мы введем вторую обмотку и усложним картину. Как ты видишь на рис. 100, это вторая обмотка стремится создать магнитное поле, направленное перпендикулярно первому. Я посылаю во вторую обмотку переменный ток такой же частоты, как и в первую, но запаздывающий относительно него на четверть периода (сдвиг по фазе на 90°).

Рис. 100. С помощью двух пар катушек, по которым протекает сдвинутый по фазе переменный ток, можно создать вращающееся магнитное поле. Помещенный в это поле магнит вращается со скоростью вращения самого поля. На таком принципе устроен синхронный двигатель. Замкнув накоротко витки обмотки якоря, получают асинхронный двигатель.

Н. – Начало не предвещает ничего хорошего! Как только речь заходит о фазах, все сразу становится дьявольски сложно.

Л. – Не так уж страшно, если ты будешь внимательным. Ток I₂, который я посылаю в обмотку 2 (рис. 101), отстает на четверть периода от тока I₁, протекающего по обмотке 1. Иначе говоря, ток в обмотке 2 равен нулю, когда ток в обмотке 1 достигает максимума. В момент, когда он в свою очередь достигает положительного максимума, ток в обмотке 1, пройдя положительный полупериод, падает до нуля. В этих условиях магнитное поле ведет себя совершенно особым образом. Сначала, когда ток в обмотке 1 имеет максимальное положительное значение, магнитное поле направлено слева направо. Ток в обмотке 1 снижается, и одновременно увеличивается ток в обмотке 2. В этих условиях появляется вертикальное поле, направленное снизу вверх, которое нарастает по мере уменьшения горизонтального поля, ориентированного слева направо.

В конце четверти периода существует только поле, направленное снизу вверх, и оно сразу же начинает убывать, потому что в этот момент начинает снижаться ток, протекающий по обмотке 2. В этот же момент в обмотке 1 вновь появляется ток, но он течет в направлении, обратном первоначальному, что обычно обозначается знаком минус. Этот ток порождает небольшое магнитное поле, идущее налево. Некоторое время спустя, когда ток, протекая в обмотке 1 в противоположном направлении, достигает максимального значения (в обмотке 2 ток равен нулю), существует только поле, направленное налево, и оно достигает максимума. Протекающий по обмотке 1 отрицательный ток уменьшается (по абсолютному значению), а в это время в обмотке 2 появляется отрицательный ток, дающий нам вертикальное магнитное поле, которое на этот раз направлено сверху вниз.

Когда ток в обмотке 1 вновь станет равным нулю, в нашем статоре останется только поле, направленное сверху вниз. В этот момент ток в обмотке 2 начнет уменьшаться по абсолютному значению, а в обмотке 1 появится положительный ток, порождающий магнитное поле, направленное слева направо. На самом же деле создаваемые обмотками 1 и 2 магнитные поля в каждый момент складываются и образуют единое магнитное поле, которое в общем случае наклонено относительно осей 1 и 2 и приближается к вертикали, если протекающий в обмотке 2 ток значительно больше тока, протекающего по обмотке 1, и наоборот.

Рис. 101. Токи, возбуждающие две обмотки двухфазного двигателя, сдвинуты по фазе на 90° относительно друг друга; максимальное значение одного соответствует нулевому значению другого.

Вращающееся поле

Н. – Это действительно ужасно сложно. Но я, кажется, понял, что там происходит исключительно странное явление: – магнитное поле как бы вращается.

Л. – Не кажется, а на самом деле вращается. Описанным способом мы создали так называемое вращающееся магнитное поле.

Введи в это поле постоянный магнит, и он будет стремиться вращаться, в каждый момент следуя за перемещающимся полем, причем он будет вращаться с такой же скоростью, что и поле. Таким образом, мы создали двигатель, который называют синхронным.

Н. – Просто чудесный двигатель. Он обходится без коллектора: вращающимся элементом служит простой магнит. Да это рекорд простоты. И сверх того он вращается со строго известной частотой.

Л. – Разумеется, он обладает серьезными достоинствами. Но я должен тебе сказать, что он имеет и не меньшее количество недостатков. Он может вращаться только с частотой вращения магнитного поля. Если его заставляют выполнять чрезмерную работу, он уже не может выдержать свою частоту вращения и, как говорят, выпадает из синхронизма и немедленно останавливается. Для нового запуска его иногда приходится раскручивать какой-либо механической системой до хорошей скорости, на которой он может войти в синхронизм. Поэтому я советую использовать этот двигатель в основном в тех случаях, где требуется строго известная частота вращения, например, для приведения в движение стрелок больших часов устройством, стабилизированным от кварцевого генератора. В более обычных случаях я настоятельно рекомендую чаще использовать асинхронный двигатель.

Якорь с короткозамкнутыми витками

Л. – Предположим, что в пространство между полюсными сердечниками с рис. 100 я поместил непрерывный ряд накоротко замкнутых витков из медного провода. Что произойдет?

Н. – Вероятно, ничего.

Л. – Ошибаешься. Разве ты забыл, что представляет собой явление индукции?

Н. – Не забыл, но это мало что изменяет. Твое вращающееся поле, разумеется, будет изменять магнитный поток в витках, в результате чего возникнут токи, но все это создаст лишь колоссальную неразбериху.

Л. – Совсем нет! Вспомни еще раз о противоречивом характере индукции. Возникающие вследствие воздействия наведенных напряжений токи будут воздействовать на поле, в результате чего появятся силы, которые попытаются привести витки в движение. Механические силы попытаются вращать все эти витки с частотой вращения магнитного поля. В результате магнитное поле станет неподвижным относительно витков и перестанет наводить в них ток. Происходит то, что обычно стремятся сделать магнитные силы, оказывая противодействие изменению породивших их потоков.

Н. – Теперь все представляется мне более или менее понятным. Но я не вижу, чтобы тебе удалось много выиграть по сравнению с синхронным двигателем. Все же значительно проще сделать якорь из простого магнита, чем из такого множества короткозамкнутых витков.

Л. – Прежде всего совсем не проще. Кроме того, новый двигатель обладает весьма существенным преимуществом: он запускается без посторонней помощи. При неподвижном якоре он не дает такого значительного крутящего момента, как двигатель постоянного тока, но тем не менее он способен прийти в движение без пусковых устройств. И затем, если мы попытаемся заставить его выполнить слишком большую работу, он не остановится, просто его якорь начнет вращаться медленнее магнитного поля и в витках появится наведенный ток. Двигатель будет вращаться со скоростью, близкой к скорости магнитного поля, и скольжение (сдвиг) относительно этой скорости будет тем больше, чем большую работу мы заставим его выполнять. Следовательно, это намного более гибкий в применении двигатель.

Н. – Я думаю, что двигатель такого типа устанавливают в пылесосах, электрических кофейных мельницах…

Л. – В таких машинах, где требуется большая частота вращения, чаще всего устанавливают двигатели универсального типа с коллектором и щетками. Видишь ли, Незнайкин, асинхронный двигатель не может вращаться быстрее магнитного поля, и, следовательно, при обычном переменном токе она дает нам не более 50 оборотов в секунду.

Н. – Но и это представляется мне уже великолепным результатом.

Л. – Но, по мнению специалистов, этого недостаточно для нормальной работы электрической кофейной мельницы, частота вращения которой должна быть по крайней мере в 3 раза выше (150 оборотов в секунду, или 9000 оборотов в минуту). Вот почему на такие машинки ставят универсальные двигатели. И, наоборот, в тех случаях, когда требуется значительная мощность и определенные удобства в работе, широко используются асинхронные двигатели. В частности, такой двигатель почти всегда приводит в действие стиральную машину. Мы же ограничимся использованием его в устройствах, именуемых сервомеханизмами, о которых нам еще предстоит поговорить. А сейчас мы коротко рассмотрим, каким образом подают ток в двигатели постоянного тока и в асинхронные двигатели.

Питание двигателей

Н. – Само собой разумеется, что значительно проще снабжать энергией асинхронный двигатель. Он требует переменного тока, а усилитель такого типа сделать совсем нетрудно.

Л. – Отчасти ты прав, но при использовании асинхронного двигателя возникает одна небольшая проблема. Ему необходимо подавать два различных тока.

Н. – Я не вижу, почему это тебя беспокоит; мы просто поставим два усилителя.

Л. – Проще питать одну пару катушек переменным током с постоянной амплитудой, а во вторую пару подавать ток со сдвигом фазы относительно первого. Для получения второго тока можно использовать усилитель. Полученное магнитное поле будет вращаться немного неравномерно, но таким образом нам удастся изменять частоту вращения двигателя путем изменения напряжения на выходе усилителя.

Н. – Да, но одно обстоятельство здесь меня беспокоит. Направление вращения такого двигателя невозможно изменить, потому что о переменном токе нельзя сказать, положительный он или отрицательный.

Л. – Совершенно верно, но о нем можно сказать, отстает он или опережает на четверть периода ток, протекающий в паре катушек, питаемых непосредственно от сети. Поэтому, изменив полярность выхода усилителя, питающего другую пару катушек, можно изменить направление вращения двигателя.

Н. – Мне неясно, что ты понимаешь под выражением «изменив полярность выхода»… переменный ток всегда переменный!

Л. – Не торопись. Посмотри схему, приведенную на рис. 102…

Рис. 102. В зависимости от расположения подвижных контактов потенциометров R₁ и R₂ переменное напряжение на выходе усилителя А находится в фазе или в противофазе с напряжением, приложенным к R₁ и R₂.

Н. – Я ее давным-давно знаю, это мост Уитстона.

Л. – О! Сегодня, Незнайкин, ты в превосходной форме. Это действительно мост Уитстона. Предположим, что оба подвижных контакта потенциометров R₁ и R₂ находятся в средних положениях, что в этом случае поступит на вход усилителя А?

Н. – Но… ровным счетом ничего.

Л. – В самом деле, на вход поступит «нулевое напряжение». А теперь, оставив на прежнем месте подвижный контакт потенциометра R₂, переместим контакт R₁ сначала вверх, а потом вниз. Как ты видишь, подаваемое на вход усилителя напряжение может быть в фазе или в противофазе с напряжением, поступающим на потенциометры.

Н. – А не лучше было бы говорить о положительном или отрицательном переменном напряжении?

Л. – Мне этот термин не нравится и я предпочитаю говорить «в фазе» или «в противофазе». Тебе, Незнайкин, вероятно, уже приходилось включать последовательно две вторичные обмотки трансформатора, чтобы получить напряжение, равное сумме напряжений, снимаемых с этих вторичных обмоток?

Н. – Да, я помню о таком случае. Это одно из самых позорных пятен моей карьеры радиста. У меня был трансформатор с двумя вторичными обмотками, дававшими каждая по 6 в. Я соединил их последовательно, чтобы получить 12 в, но вместо этого я получил напряжение, равное абсолютному нулю.

Л. – Значит ты, Незнайкин, включил свои вторичные обмотки последовательно, но в противофазе. Поменяв местами выводы одной из обмоток, ты получил бы 12 в. Впрочем тебе повезло, что не было надобности включать эти обмотки параллельно, потому что в этом случае включение в противофазе равносильно настоящему короткому замыканию. Следовательно, как ты видишь, мы можем подавать на вспомогательную обмотку двухфазного двигателя переменное напряжение, способное заставить его вращаться в ту или в другую сторону (в зависимости от фазы этого переменного напряжения) и с большей или меньшей частотой (в зависимости от амплитуды этого напряжения).

Питание двигателя постоянного тока

Н. – Надеюсь, что при использовании двигателя постоянного тока ты не будешь питать его током транзистора или лампы?

Л. – Я буду тебе очень признателен, если ты сможешь показать закон, запрещающий так поступать. Транзистор как раз очень хорошо подходит для такой работы, так как легче всего сделать двигатель с небольшим количеством витков из толстого провода, иначе говоря, рассчитанный для работы при относительно низком напряжении и большом токе. Поэтому для приведения в действие двигателя широко используются транзисторы. Но в этом случае необходимо обращать внимание на некоторые моменты. Включая якорь двигателя в цепь коллектора транзистора, мы практически устанавливаем значение протекающего по этому якорю тока (до тех пор, пока на выводах транзистора еще имеется напряжение, т. е. пока транзистор еще не находится в состоянии насыщения). Следовательно, этим самым мы устанавливаем значение даваемого двигателем крутящего момента.

Когда транзистор входит в состояние насыщения, т. е. когда на его выводах больше нет напряжения, напряжение на выводах двигателя становится равным напряжению питания и больше повышаться не может. Следовательно, этим ограничивается частота вращения двигателя.

Н. – Но одно обстоятельство здесь меня беспокоит: двигатель постоянного тока обладает способностью одинаково хорошо вращаться в любую сторону. В этом случае отпадает ужасная проблема с фазой и противофазой, потому что для изменения направления вращения двигателя достаточно изменить направление тока в якоре и оставить без изменения направление тока в статоре. Однако коллекторный ток транзистора может иметь только одно направление. Как решить эту проблему?

Л. – Возможно несколько решений. Так, например, ты можешь привести в действие двигатель усилителем с последовательным пушпульным выходным каскадом, схему которого я показывал тебе на рис. 52. Следует сказать, что это самое простое решение.

Н. – Но есть еще одно беспокоящее меня обстоятельство. В некоторых случаях может потребоваться двигатель очень большой мощности, и я не уверен, что мне легко удастся найти транзисторы, способные пропускать несколько десятков ампер и выдерживать напряжение в несколько сотен вольт.

Электромагнитный усилитель

Л. – Найти-то их можно, но стоят они действительно очень дорого. Для этого случая имеется одно изящное решение – использовать в качестве усилителя динамомашину (такое устройство часто называют электромашинным усилителем).

Н. – Скорее расскажи мне, что это такое. Я знаю, что усиливать могут лампы и транзисторы, но я никогда не подозревал, что в качестве усилителя может выступать скромная динамомашина, установленная, как я знаю, под капотом моего автомобиля.

Л. – О, это исключительно просто. Представь себе (рис. 103) динамомашину, приводимую в движение электродвигателем. Если я не подам тока в обмотку электромагнита, который служит статором динамомашины, то она не даст на щетки никакого тока. Но чем больше тока пошлю я в обмотку статора, тем более высокое напряжение появится на щетках динамомашины.

Рис. 103. Динамомашина, приводимая в движение электродвигателем, дает на своих щетках ток, пропорциональный току, протекающему в ее статоре.

Для получения на щетках динамомашины электроэнергии очень большой мощности достаточно относительно небольшой мощности возбуждения статора. Практически энергию дает электродвигатель, вращающий динамомашину, тогда как протекающий по статору динамомашины ток служит лишь для создания магнитного поля, что возможно достичь затратой небольшой энергии, если согласиться намотать большое количество провода.

Н. – Чудесно! Так, значит, ток с этой динамомашины ты посылаешь в двигатель, которым ты должен управлять, а транзисторный усилитель используешь только для регулирования тока в обмотке статора динамомашины?

Л. – Совершенно верно. В такой системе усилитель, собранный на самых обычных и дешевых транзисторах, позволяет регулировать частоту вращения двигателя мощностью в несколько киловатт. Я уже воспользовался этим способом и с помощью очень скромного усилителя управлял вращением многотонной башни радиолокационной антенны.

Н. – В самом деле очень эффективное решение, но один момент меня очень огорчает! В этом случае ты вынужден устанавливать три машины: двигатель, вращающий динамомашину-усилитель, саму динамомашину и двигатель, в который ты посылаешь ток этой динамомашины. Поистине колоссальное достижение в наш век миниатюризации!

Л. – Ты назвал весьма существенный недостаток системы, но, кроме того, приходится сталкиваться с некоторыми трудностями, возникающими из-за остаточного магнетизма в статоре динамомашины, для устранения которых требуются довольно сложные системы коррекции. Поэтому параллельно разработали другой чрезвычайно хитроумный способ, заключающийся в питании двигателя постоянного тока с помощью тиратронов.

Управление с помощью тиратронов

Н. – Но тогда твой двигатель начнет выделывать пилообразные движения!

Л. – Ты уже наговорил немало нелепостей, но до такой еще не доходил… Но поговорим серьезно. Действительно, в некоторых схемах, о которых я тебе уже говорил, тиратрон используется для получения пилообразного напряжения. В нашем же случае мы используем тиратрон совершенно иначе – ток тиратрона мы пошлем в обмотку якоря двигателя.

Н. – Да от этого двигатель придет в ужас: ток тиратрона состоит из очень коротких и очень мощных импульсов.

Л. – Так тиратрон ведет себя в схемах генераторов пилообразных сигналов. Но он может работать совершенно иначе, если, например, мы используем его основное качество: после зажигания тиратрон начинает пропускать ток и он может продолжать пропускать его, если анодный ток поступает не через конденсатор, а через какой-либо другой прибор.

Н. – Но ты сам себе противоречишь, Любознайкин! Ты неоднократно обращал мое внимание на то, что после зажигания тиратрона проходящий по нему ток может достигать чрезвычайно высоких значений и что для его ограничения необходимо даже принимать специальные меры предосторожности.

Л. – Именно это мы и сделаем. Если в анодную цепь тиратрона последовательно включить резистор и источник напряжения, то после зажигания тиратрона ток будет вести себя исключительно разумно и не превысит установленного для него законом Ома значения. Напряжение на выводах тиратрона будет незначительным и большим на выводах резистора, проходящий по тиратрону ток будет ограничен сопротивлением этого резистора.

Н. – Такое применение тиратрона представляется мне довольно странным, но пусть будет так. Мы получили средство направлять ток в двигатель. Но кроме возможности пускать ток в двигатель путем включения тиратрона подачей сигнала на его сетку мы мало что выиграли по сравнению с тем, что могло бы дать нам простое реле.

Питание переменным током

Л. – Твое замечание совершенно справедливо для тех случаев, когда в качестве источника питания для тиратрона используется источник постоянного напряжения. Но картина станет совсем иной, если питание-на двигатель с последовательно ему включенным тиратроном подавать от источника переменного напряжения.

Н. – Я думаю, что здесь ты воспользуешься одним из универсальных двигателей, которые соглашаются работать и от переменного тока?

Л. – Совсем нет, мы используем хороший двигатель постоянного тока и даже с высокостабильным возбуждением статора, если только это не постоянный магнит.

Н. – Мне, кажется, лучше немедленно уйти отсюда! Ведь ты сам, Любознайкин, говорил мне, что направление вращения такого двигателя зависит от направления тока в его якоре!

Л. – Пожалуйста, не нервничай. Конечно, в этом случае протекающий по обмотке якоря двигателя ток не будет постоянным, но он по крайней мере будет выпрямленным, потому что тиратрон может ионизироваться только тогда, когда его анод положителен относительно его катода. Следовательно, ток в обмотке двигателя всегда будет протекать в одном направлении, но он будет протекать только в течение половины каждого периода, когда анод тиратрона положителен относительно его катода.

Н. – Хорошо, с этим я согласен. Но я не очень понимаю, что же мы выиграли: если сетка достаточно отрицательна, тиратрон не зажигается, двигатель не вращается. Если ты сделаешь сетку положительной или хотя бы создашь на ней нулевой потенциал, тиратрон все время будет в ионизированном состоянии и тогда его безболезненно можно заменить простым выпрямителем.

Л. – В своих рассуждениях ты рассматриваешь только крайние случаи и поэтому не замечаешь достоинств нашего устройства, а они есть, и немалые. Предположим, что я посылаю на сетку тиратрона импульсы, но могу изменять момент их прихода в пределах полупериода, когда анод положителен относительно катода. Как ты видишь, когда эти импульсы приходят в самом начале этого полупериода, как это показано на рис. 104, выпрямленный ток протекает по обмоткам двигателя почти в течение всего полупериода.

Рис. 104. Если пусковые импульсы подаются на сетку тиратрона примерно в начале полупериода анодного напряжения, то анодный ток протекает в течение большей части этого полупериода; среднее значение анодного тока в этом случае наибольшее.

Когда же эти импульсы приходят позднее, как это показано на рис. 105, ты легко можешь заметить, что тиратрон ионизируется совсем незадолго до момента, когда он сам по себе должен погаснуть, потому что его анод вновь становится отрицательным относительно катода.

Рис. 105. Когда пусковые импульсы поступают позднее, среднее значение анодного тока снижается.

Н. – Так это же настоящая сенсация! Этот тиратрон работает точно так, как выпрямитель, если бы им можно было управлять.

Л. – Именно поэтому его часто называют управляемым вентилем. Впрочем, полупроводниковый эквивалент тиратрона тоже называется управляемым кремниевым вентилем.

Полупроводниковые тиратроны (тиристоры)

Н. – Значит, есть полупроводниковые приборы, которые работают как тиратроны?

Л. – Да есть, и работают они превосходно. Сейчас я расскажу тебе о них, не особенно вдаваясь в подробности их устройства. Полупроводниковые тиратроны состоят из четырех последовательно расположенных слоев р, n, р и n. Первый слой р называется анодом, а последний слой n – катодом. Соприкасающийся с катодом слой р снабжен выводом (управляющий электрод), третий слой не имеет вывода, но тем не менее играет важную роль в работе всего прибора. Обычно такой тиратрон рассчитывается на определенное напряжение, например 200 или 400 в. Это напряжение он выдерживает как в прямом, так и в обратном направлениях. Возбуждается или запускается такой тиратрон управляющим электродом, для чего, точно так же как и в газонаполненном тиратроне, необходимо сделать анод положительным относительно катода. Различие между этими приборами заключается в том, что в газонаполненном тиратроне на управляющий электрод подается напряжение, в полупроводниковом – ток. После возбуждения полупроводникового тиратрона протекающий по нему ток ограничивается только внешней цепью, ибо он накоротко замыкает эту цепь или, вернее говоря, ведет себя как хороший кремниевый выпрямительный диод; падение напряжения на его выводах не превышает 1 в. Ты видишь, какими преимуществами обладает он по сравнению с газонаполненным тиратроном, у которого в зажженном состоянии падение напряжения на выводах часто составляет полтора десятка вольт.

Кремниевый тиратрон возбуждается при токе в несколько миллиампер в его управляющем электроде, после чего он работает как выпрямляющий диод до тех пор, пока в его анодной цепи поддерживается ток, превышающий несколько миллиампер. Для устранения возбуждения достаточно накоротко замкнуть тиратрон, что вызовет падение напряжения на нем ниже одного вольта. Устранить возбуждение также можно, прервав протекающий по нему ток или сделав его анод отрицательным относительно катода, что в принципе сводится к тому же. Чтобы показать, насколько полупроводниковый тиратрон близок к простому выпрямительному диоду, которым можно было бы управлять, для него приняли почти такое же, как для диода, схемное обозначение (я воспроизвел его на рис. 106). Отличие от условного обозначения выпрямительного диода заключается лишь в наличии дополнительного управляющего электрода, подведенного наклонно к катоду.

Рис. 106. Условное обозначение твердого тиратрона (полупроводникового эквивалента газоразрядного тиратрона); его также называют управляемым кремниевым выпрямителем.

Н. – А можно ли с помощью полупроводниковых тиратронов управлять большими токами?

Л. – О, да, и очень большими. Вот посмотри этот, что я принес в кармане своей жилетки; ты, несомненно, признаешь, что он совсем небольшой. А его вполне достаточно для исправного управления частотой двигателя мощностью 2 квт, рядом с которым наш тиратрон почти незаметен. Этот крохотный прибор настолько мал, что я могу зажать в кулаке целый десяток, весит он всего 8 г, а выдерживает положительное или отрицательное напряжение 500 в и пропускает ток более 20 а. Газонаполненный тиратрон с такими характеристиками имеет весьма внушительные размеры: по крайней мере 7–8 см в диаметре и полтора десятка сантиметров в высоту. Необходимо сказать несколько слов и о других недостатках газонаполненного тиратрона, как, например, гигантское потребление энергии на разогрев катода и значительное время прогрева перед включением его в работу, без чего мы рискуем серьезно повредить тиратрон.

Н. – В таком случае я полагаю, что через несколько лет газонаполненные тиратроны совсем исчезнут.

Л. – Я полностью разделяю это мнение. Однако в настоящее время полупроводниковые модели еще относительно дороги, впрочем они не намного дороже газонаполненных тиратронов с эквивалентными характеристиками, но они легко могут выйти из строя, если не принять специальных мер по защите их от перенапряжений. Но при всем этом будущее за ними.

Зажигание тиратрона

Н. – Хорошо, когда мне придется делать систему управления для двигателей, я непременно применю кремниевые тиратроны. Но еще одно обстоятельство, которое меня немного беспокоит. Ты говорил мне о пусковых импульсах для разного по времени зажигания тиратрона. Как получают эти импульсы и как изменяют их положение (я подозреваю, что здесь ты не скажешь «фазу») относительно начала положительного полупериода на аноде тиратрона?

Л. – Эти импульсы можно получить различными способами. Для возбуждения кремниевых тиратронов часто используют схемы с небольшим специальным транзистором, который называют однопереходным транзистором.

Н. – Мне это очень нравится. Мы хотим возбудить тиратрон, имеющий три перехода, и используем для этого транзистор, который, судя по названию, имеет только один переход. Очень хорошо, это в известной мере восстанавливает равновесие.

Л. – По правде говоря, я никогда не думал о равномерном распределении количества переходов. Но как бы там ни было, однопереходный транзистор представляет собой весьма простой прибор, представляющий собой стержень из кремния с n проводимостью, на каждом конце которого имеется вывод (их называют база 1 и база 2), а в самой середине имеется переход с p-зоной, который называют эмиттером. Если между базами этого прибора создать разность потенциалов, он ведет себя как тиратрон, анодом которого служит эмиттер, а катодом – одна из баз.