Λύσεις Κεφαλαίου 4 – Θυρίστορ – σελ. 150-151 – ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ Α΄ ΕΠΑΛ

Ενδεικτικές απαντήσεις στις ερωτήσεις/ασκήσεις του σχολικού βιβλίου.

Άσκηση 1

Εκφώνηση. Περιγράψτε τη λειτουργία μιας διόδου τεσσάρων στρώσεων.

Σκέψη. Ζητείται η λειτουργία της διόδου τεσσάρων στρώσεων (Shockley).

Λύση.

• P-N-P-N με τρεις επαφές· κρίσιμη η μεσαία επαφή J₂.

Ενδεικτική απάντηση. Η δίοδος τεσσάρων στρώσεων (Shockley) αποτελείται από στρώματα P₁N₁P₂N₂ με άνοδο A και κάθοδο K. Με θετική άνοδο, οι επαφές J₁ και J₃ είναι ορθά και η J₂ ανάστροφα πολωμένη, οπότε δεν άγει (αποκοπή, αντίσταση ~100 ΜΩ). Όταν η τάση ξεπεράσει την τάση εκκίνησης V_BO, η J₂ διασπάται και το ρεύμα αυξάνεται απότομα (αγωγιμότητα)· η τάση σταθεροποιείται στην τάση συγκράτησης V_H. Επιστρέφει σε αποκοπή όταν το ρεύμα πέσει κάτω από το ρεύμα συγκράτησης I_H.

Πρόσεξε:

• Βάζουμε πάντα αντίσταση σε σειρά για να περιοριστεί το ρεύμα και να μην καταστραφεί.

Άσκηση 2

Εκφώνηση. Πώς ενεργοποιείται ένα SCR;

Σκέψη. Ζητείται πώς ενεργοποιείται ένα SCR.

Λύση.

• Ο SCR έχει πύλη (Gate).

Ενδεικτική απάντηση. Ο SCR ενεργοποιείται (έρχεται σε αγωγιμότητα) με τη διοχέτευση κατάλληλου ρεύματος πύλης I_G. Το ρεύμα πύλης καθορίζει την τάση εκκίνησης V_BO: όσο μεγαλύτερο το I_G, τόσο μικρότερη η V_BO στην οποία άγει. Αφού αρχίσει να άγει, ο SCR παραμένει σε αγωγιμότητα ακόμη κι αν αφαιρεθεί το σήμα πύλης, μέχρι το ρεύμα ανόδου να πέσει κάτω από το I_H.

Πρόσεξε:

• Ο παλμός πύλης πρέπει να έχει κατάλληλο πλάτος και διάρκεια.

Άσκηση 3

Εκφώνηση. Τι ονομάζεται χρόνος εκκίνησης και αποκοπής ενός SCR;

Σκέψη. Ζητείται ο ορισμός χρόνου εκκίνησης και αποκοπής SCR.

Λύση.

• Δύο χρόνοι μετάβασης καταστάσεων.

Ενδεικτική απάντηση. Χρόνος εκκίνησης είναι ο χρόνος από τη στιγμή που θα εφαρμοστεί σήμα στην πύλη μέχρι ο SCR να βρεθεί σε πλήρη αγωγιμότητα (μειώνεται με αύξηση του I_G). Χρόνος αποκοπής είναι ο χρόνος από τη στιγμή που παύει το σήμα πύλης (και το ρεύμα πέφτει κάτω από I_H) μέχρι ο SCR να σταθεροποιηθεί στην αποκοπή. Ο χρόνος αποκοπής είναι γενικά πολύ μεγαλύτερος από τον χρόνο εκκίνησης.

Πρόσεξε:

• Ο χρόνος εκκίνησης καθορίζει την ελάχιστη διάρκεια του παλμού πύλης.

Άσκηση 4

Εκφώνηση. Περιγράψτε πώς γίνεται ο έλεγχος της κατανάλωσης σ’ ένα φορτίο με τη χρησιμοποίηση ενός SCR.

Σκέψη. Ζητείται ο έλεγχος κατανάλωσης φορτίου με SCR.

Λύση.

• Ρυθμίζουμε τη γωνία αγωγιμότητας.

Ενδεικτική απάντηση. Σε κύκλωμα AC, ο SCR άγει μόνο από τη στιγμή που πυροδοτείται μέσα στη θετική ημιπερίοδο μέχρι το τέλος της (σβήνει όταν η τάση αλλάζει πολικότητα). Μεταβάλλοντας το πότε πυροδοτείται (τη γωνία αγωγιμότητας θ), ελέγχουμε πόσο μέρος της ημιτονοειδούς τάσης φτάνει στο φορτίο, άρα και την ισχύ που καταναλώνεται: όσο νωρίτερα πυροδοτηθεί, τόσο μεγαλύτερη η ισχύς.

Πρόσεξε:

• Η γωνία αγωγιμότητας ρυθμίζεται π.χ. με μεταβλητή αντίσταση που φορτίζει έναν πυκνωτή.

Άσκηση 5

Εκφώνηση. Δώστε και εξηγήστε τη χαρακτηριστική καμπύλη λειτουργίας ενός SCR.

Σκέψη. Ζητείται η ερμηνεία της χαρακτηριστικής καμπύλης του SCR.

Λύση.

• Χαρακτηριστική I–V για διαφορετικά I_G.

Ενδεικτική απάντηση. Η χαρακτηριστική δίνει το ρεύμα I σε συνάρτηση με την τάση V, για διάφορες τιμές του ρεύματος πύλης I_G. Στην ορθή πόλωση, μέχρι την V_BO το ρεύμα είναι πολύ μικρό (αποκοπή)· μόλις η τάση φτάσει τη V_BO, το ρεύμα αυξάνεται απότομα και η τάση πέφτει στη V_H (αγωγιμότητα). Αυξάνοντας το I_G, η V_BO μικραίνει (ο SCR άγει σε μικρότερη τάση). Στην ανάστροφη πόλωση, πάνω από τη V_RA το ρεύμα αυξάνεται απότομα (φαινόμενο χιονοστιβάδας).

Πρόσεξε:

• Η θέση του σημείου εκκίνησης μεταβάλλεται και με τη θερμοκρασία.

Άσκηση 6

Εκφώνηση. Ποια η διαφορά μεταξύ ενός DIAC και ενός TRIAC;

Σκέψη. Ζητείται η διαφορά DIAC και TRIAC.

Λύση.

• Και τα δύο αμφίδρομα· διαφέρουν στην πύλη.

Ενδεικτική απάντηση. Η DIAC είναι αμφίδρομη δίοδος (άγει και προς τις δύο κατευθύνσεις), προκύπτει από δύο διόδους Shockley σε αντιπαράλληλη σύνδεση και δεν έχει πύλη (2 ακροδέκτες, δύο τάσεις εκκίνησης ±V_BO). Το TRIAC είναι ουσιαστικά μια ελεγχόμενη DIAC: έχει πύλη (τρίτο ακροδέκτη) και έτσι μπορεί να ελέγχεται εξωτερικά με παλμούς, άγοντας ελεγχόμενα και στις δύο ημιπεριόδους της AC τάσης.

Πρόσεξε:

• Η DIAC χρησιμοποιείται κυρίως για την πυροδότηση του TRIAC.

Άσκηση 7

Εκφώνηση. Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος η τάση εισόδου V είναι ίση με +15V. Για τη δίοδο τεσσάρων στρωμάτων είναι \(V_{BO} = 10\,\mathrm{V}\), \(V_H = 0{,}7\,\mathrm{V}\) και \(I_H = 4\,\mathrm{mA}\). Υπολογίστε:

α) Το ρεύμα στο κύκλωμα όταν η δίοδος τεσσάρων στρωμάτων άγει

β) Πόση πρέπει να γίνει η τάση V, ώστε η δίοδος να έρθει σε κατάσταση αποκοπής

Περιγραφή σχήματος: Πρόκειται για απλό σειριακό κύκλωμα τροφοδοτούμενο από πηγή συνεχούς τάσης με συμβολισμό «V». Η πηγή παριστάνεται στα αριστερά ως στοιχείο με πολικότητα (το επάνω άκρο φέρει "+" και το κάτω «−»). Από τον θετικό πόλο της πηγής ξεκινά ο επάνω οριζόντιος αγωγός πάνω στον οποίο είναι συνδεδεμένη σε σειρά αντίσταση ονομαστικής τιμής \(100\,\Omega\) (σημείωση «100Ω» πάνω από το σύμβολο της αντίστασης). Στο δεξί άκρο του επάνω αγωγού συνδέεται το στοιχείο «Δίοδος τεσσάρων στρωμάτων», το οποίο παριστάνεται με ορθογώνιο πλαίσιο που φέρει την ένδειξη αυτή. Το κατώτερο άκρο της διόδου συνδέεται με τον κάτω οριζόντιο αγωγό επιστροφής, ο οποίος κλείνει το κύκλωμα επιστρέφοντας στο αρνητικό άκρο της πηγής. Δεν υπάρχει άλλο στοιχείο ή διακόπτης στο κύκλωμα. Η τάση εισόδου που αναφέρεται στο κείμενο είναι η τάση της πηγής V, ενώ το ρεύμα που ζητείται διαρρέει την ίδια σειρά αντίστασης \(100\,\Omega\) και τη δίοδο τεσσάρων στρωμάτων.

Σκέψη. Δίοδος τεσσάρων στρώσεων σε σειρά με R. Ζητούνται ρεύμα αγωγιμότητας και τάση αποκοπής.

Λύση.

• Στην αγωγιμότητα η δίοδος έχει τάση V_H, οπότε I = (V − V_H)/R.
• Στο όριο αποκοπής το ρεύμα γίνεται I_H και η τάση της διόδου V_H, άρα V = V_H + I_H·R.

Απάντηση. α) Όταν άγει: I = (V − V_H)/R = (15 − 0,7)/100 = 14,3/100 = 0,143 A = \(143\ \text{mA}\). β) Για αποκοπή, το ρεύμα πρέπει να πέσει στο I_H = 4 mA· η αντίστοιχη τάση πηγής είναι V = V_H + I_H·R = 0,7 + 0,004×100 = 0,7 + 0,4 = \(1{,}1\ \text{V}\).

Πρόσεξε:

• Πάνω από τα 1,1 V (με I > I_H) η δίοδος παραμένει σε αγωγιμότητα· κάτω από αυτά σβήνει.

Άσκηση 8

Εκφώνηση. Στο κύκλωμα του παρακάτω σχήματος ο SCR απαιτεί για να ενεργοποιηθεί να έχει ρεύμα πύλης 7mA και τάση στην πύλη 0,75 V. Υπολογίστε:

α) Πόση είναι η τάση εξόδου όταν ο SCR δεν άγει;

β) Ποια είναι η τιμή της τάσης εισόδου που οδηγεί σε ενεργοποίηση τον SCR;

Περιγραφή σχήματος: Στα δεξιά φαίνεται κάθετος κλάδος τροφοδότησης από πηγή \(+15\,\mathrm{V}\). Ακριβώς κάτω από την ένδειξη «+15V» τοποθετείται αντίσταση τιμής \(100\,\Omega\) σε σειρά με την άνοδο ενός SCR. Η κάθοδος του SCR βρίσκεται χαμηλότερα και συνδέεται με τον κάτω κόμβο αναφοράς του κυκλώματος. Κατά μήκος της δεξιάς πλευράς υπάρχει κόκκινο κατακόρυφο βέλος με τη σήμανση \(V_{\text{εξ}}\), που υποδηλώνει την τάση εξόδου μετρημένη μεταξύ του άνω σημείου τροφοδοσίας και του κάτω κόμβου (πάνω από και κάτω από τον SCR). Στα αριστερά υπάρχει ανεξάρτητη πηγή τάσης που επισημαίνεται ως \(V_{\text{εισ}}\) με πολικότητα (+) στο αριστερό άκρο. Η πηγή αυτή τροφοδοτεί μέσω αντίστασης \(1\,\mathrm{k}\Omega\) την πύλη του SCR· ο αγωγός από την πηγή περνά από την αντίσταση «1ΚΩ» και καταλήγει στην επαφή της πύλης. Έτσι σχηματίζεται κύκλωμα ελέγχου για το ρεύμα πύλης, ενώ το κύκλωμα ισχύος είναι ο κλάδος \(+15\,\mathrm{V}\)–\(100\,\Omega\)–SCR–γείωση. Δεν υπάρχουν άλλα στοιχεία ή ενδείξεις στο σχέδιο.

Σκέψη. SCR με κύκλωμα πύλης. Ζητούνται τάση εξόδου (αποκοπή) και τάση εισόδου ενεργοποίησης.

Λύση.

• Όταν ο SCR δεν άγει, δεν περνά ρεύμα από τα 100 Ω → η έξοδος = τάση τροφοδοσίας.
• Ενεργοποίηση: V_εισ = V_G + I_G·R_πύλης.

Απάντηση. α) Όταν ο SCR δεν άγει, δεν υπάρχει ρεύμα στον κλάδο ισχύος, άρα καμία πτώση στα 100 Ω και V_εξ = \(15\ \text{V}\) (η τάση τροφοδοσίας). β) Για να ενεργοποιηθεί χρειάζεται ρεύμα πύλης 7 mA και τάση πύλης 0,75 V, μέσω αντίστασης 1 kΩ: V_εισ = V_G + I_G·R = 0,75 + 0,007×1000 = 0,75 + 7 = \(7{,}75\ \text{V}\).

Πρόσεξε:

• Το κύκλωμα πύλης (έλεγχος) είναι ανεξάρτητο από το κύκλωμα ισχύος (άνοδος-κάθοδος).