управление тиристором | Электрознайка. Домашний Электромастер.
Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.
data-ad-client=”ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=”7451033986″>
♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц, представлена на рис 1 а).
За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0.
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.
Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол
В момент фазового угла:
- α = 0° напряжения U = 0;
- α = 90° напряжение U = +Umax;
- α=180° напряжение U = 0;
- α = 270° напряжение U = — Umax;
- α = 360° напряжение U = 0.
♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье «Что такое динистор и тиристор?» : тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт).
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении – от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2.
♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс) через переход Уэ – К, прошел ток включения Iвкл тиристора.
С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3).
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.
♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс), пока не достигнет величины Iвкл. Тиристор откроется.
Такой способ управления тиристором называется фазовым методом.
♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К, от которого тиристор открывается.
Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом.В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.
Фазовый метод управления тиристором.
♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.
После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2
♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс, от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп (управляющий электрод — катод).
При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл, тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.
Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.
♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.
Проведем небольшие вычисления для примера рис.3. Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА. В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА.
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1. Для разных значений резистора R1, будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:
1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.
Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10, до а = 90 градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.
♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90°.
То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.
Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1, ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).
Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С.
Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5.
Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1), весь ток идет на зарядку конденсатора С, напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.
Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.
Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ).
Мощность нагрузки будет изменяться приблизительно
Разумеется, все приведенные расчеты весьма приблизительны, но общие рассуждения верны.
Все выше приведенные эпюры напряжений, в разные временные значения, хорошо просматривались на экране осциллографа.
У кого есть осциллограф, можно посмотреть самому
data-ad-client=”ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=”7451033986″>
domasniyelektromaster.ru
фазоимпульсный метод | Электрознайка. Домашний Электромастер.
Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно — фазовый метод.
data-ad-client=”ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=”1544101189″>
♠ Система управления тиристорами в цепях переменного и пульсирующего тока использует, синхронизированную с сетью, бесконечную серию управляющих импульсов и осуществляет сдвиг фазы фронтов управляющих импульсов относительно перехода напряжения сети через ноль.
Разберем работу такой системы на примере регулятора температуры жала электрического паяльника мощностью до 100 ватт и напряжением 220 вольт. Схема этого устройства изображена на рис 1.
♠ Регулятор температуры электрического паяльника в сети переменного тока 220 вольт, состоит из диодного мостика на КЦ405А, тиристора КУ202Н, стабилитрона , узла формирования импульсов управления.
С помощью мостика переменное напряжение превращается в пульсирующее напряжение (Umax = 310 B) положительной полярности
Узел формирования состоит :
— стабилитрон, формирует за каждый полупериод трапецевидное напряжение (точка Т2);
— временная зарядно-разрядная цепочка R2, R3, C;
— аналог динистора Тр1, Тр2.
С резистора R4 снимается напряжение импульса для запуска тиристора (точка 4).
На графиках (рис 2) показан процесс формирования напряжений в точках Т1 – Т5 при изменении переменного резистора R2 от нуля до максимума.
Через резистор R1 пульсирующее напряжение сети поступает на стабилитрон КС510.
На стабилитроне формируется напряжение трапецевидной формы величиной 10 вольт (точка Т2). Оно определяет начало и конец участка регулирования.
♠ Параметры временной цепочки (R2, R3, C) подобраны так, чтобы за время одного полупериода конденсатор С успел зарядиться полностью.
С началом перехода напряжения сети Uc через ноль, с появлением трапецеидального напряжения, начинает расти напряжение на конденсаторе С. При достижении напряжения на конденсаторе Uк = 10 вольт, пробивается аналог тиристора (Тр1, Тр2). Конденсатор С через аналог разряжается на резистор R4 и, включенный параллельно ему, переход Уэ – К тиристора (точка Т3) и включает тиристор.
Тиристор КУ202 пропускает основной ток нагрузи по цепи: сеть – КЦ405 – спираль паяльника – анод – катод тиристора – КЦ405 – предохранитель — сеть.
Резисторы R5 — R6 служат для устойчивой работы устройства.
♠ Запуск управляющего узла автоматически синхронизирован с напряжением Uc сети.
Стабилитрон может быть Д814В,Г,Д. или КС510,КС210 на напряжение 9 – 12 вольт.
Переменный резистор R2 – 47 — 56 Ком мощностью не менее 0,5 ватт.
Конденсатор С – 0,15 — 0,22 мкФ, не более.
Резистор R1 – желательно набрать из трех резисторов по 8,2 Ком, двух ваттных, чтобы не сильно нагревались.
Транзисторы Тр1, Тр2 – пары КТ814А, КТ815А; КТ503А, КТ502А и др.
♠ Если регулируемая мощность не превысит 100 ватт, можно использовать тиристор без радиатора. Если мощность нагрузки больше 100 ватт необходим радиатор площадью 10 – 20 см.кв.
♠ В данном импульсно – фазовом методе импульс запуска для тиристора вырабатывается в пределах всего полупериода.
Т.е. происходит регулировка мощности почти от ноля до 100%, при регулировании фазового угла от а=0 до а=180 градусов.
На графиках в точке №5 показаны формы напряжений на нагрузке при выборочных фазовых углах: а = 160, а = 116, а = 85, а = 18 градусов.
При значении а = 160 градусов, тиристор закрыт почти во все время прохождения полупериода сетевого напряжения (мощность в нагрузке очень мала).
При значении а = 18 градусов, тиристор открыт почти во все время действия полупериода (мощность в нагрузке равна почти 100%).
В графиках в точке №4 во время открытия тиристора, вместе с появлением запускающего импульса, добавляется падение напряжения на открытом тиристоре (Uп на графике в точке №4).
Все показанные эпюры напряжений в точках Т1 — Т5, относительно точки Т6, можно посмотреть на осциллографе.
data-ad-client=”ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=”1544101189″>
domasniyelektromaster.ru
Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)
Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам.Случилось это, когда искал возможность плавно регулировать (через тиристор) яркость ламп накаливания. Применения: Цветомузыка, плавно включить/выключить свет в помещении (круто и лампы реже перегорают), мощность на паяльнике, позже появилась мысль использовать в зарядном устройстве для автомобильных АКБ. При простой схеме ведёт себя как довольно сложные с фазоимпульсным управлением тиристором. Позже, уже имея осцилограф, понял как примерно она работает. Естественно, делюсь мнением.
Зависимость яркости лампы от напряжения на входе примерно такая:
Это было то, что мне нужно.
Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2…3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо). От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.
Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20…50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.
Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5…25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5…30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.
Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.
И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.
Аурел (AKM)
Молдова, Кишинёв
Люблю что-то делать своими руками. электросеть,отопление,мебель,и особенно разные схемы. До паяльника дорвался в 8 классе.
Начал как положено с детекторного. Напаял ЦМУ, зарядные для автомобильных АКБ, УЗЧ, Собирал телевизоры, дорабатывал Ноту 220С,
таймера, ДУ, БП, разную мелочь.
Есть небольшие свои разработки. Пришёл за информацией. Не верю мелким дом. кинотеатрам. Хочу сделать всё из “авто”-динамиков. Вижу я не один.
datagor.ru
|
С амплитуднофазовым управлением В регуляторе, схема которого показана на рис. 1, использованы два тринистора, открывающиеся один в положительный, а другой – в отрицательный полуперноды сетевого напряжения. Действующее напряжение на нагрузке Rн регулируют переменным резистором R3. Регулятор работает следующим образом. В начале положительного полупериода (плюс на верхнем по схеме проводе) тринисторы закрыты. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор. С1 заряжается через резисторы R2 и R3. Увеличение напряжения на конденсаторе отстает (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов R2 и R3 и емкости конденсатора С1. Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога открывания тринистора Д1. Когда тринистор откроется, через нагрузку Rн потечет ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого тринистора и Rн. Тринистор Д1 остается открытым до конца полупериода. Подбором резистора R1 устанавливают желаемые пределы регулирования. При указанных на схеме номиналах резисторов и конденсаторов напряжение на нагрузке можно изменять в пределах 40- 220 В. В течение отрицательного полупериода аналогично работает тринистор Д4. Однако, конденсатор С2, частично заряженный в течение положительного полупериода (через резисторы R4 и R5 и диод Д6), должен перезаряжаться, а значит и время задержки включения тринистора должно быть большим. Чем дольше был закрыт тринистор Д1 в течение положительного полупериода, тем большее напряжение будет на конденсаторе С2 к началу отрицательного и тем дольше будет закрыт тринистор Д4. Синфазность работы тринисторов зависит от правильного подбора номиналов элементов R4, R5, С2. Мощность нагрузки может быть любой в пределах от 50 до 1000 Вт. И.ЧУШАНОК г. Гродно С фазоимпульсным управлением Регулятор, схема которого показана на рис. 2, управляется автоматически сигналом Uynp. В регуляторе использованы два тиристора – тринистор Д5 и динистор Д7. Тринистор открывается импульсами, которые формируются цепочкой, состоящей из динистора Д7 и конденсатора С1. В начале каждого полупериода тринистор и динистор закрыты и конденсатор С1 заряжается током коллектора транзистора Т1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога открывания динистора, он откроется и конденсатор быстро разрядится через резистор R2 и первичную обмотку трансформатора Тр1. Импульс тока со вторичной обмотки трансформатора откроет тринистор. При этом управляющее устройство будет обесточено (так как падение напряжения на открытом тринисторе очень мало), динистор закроется. По окончании полупериода триннстор выключится и с началом следующего полупериода начнется новый цикл работы регулятора. Время задержки импульса, открывающего тринистор, относительно начала полупериода определяется скоростью заряда конденсатора С1, которая пропорциональна току коллектора транзистора Т1. Изменяя управляющее напряжение Uynp, можно управлять этим током и, в конечном итоге, регулировать напряжение на нагрузке. Источником сигнала Uynp может быть полосовой фильтр (с выпрямителем) цветомузыкальнои установки, программное устройство. В системах автоматического регулирования в качестве Uупр используют напряжение обратной связи. Резистор R5 необходимо подобрать таким, чтобы при Uynp=0 тринистор открывался в каждый полупериод в момент времени, близкий к окончанию полупериода. Для того, чтобы перейти на ручное регулирование, достаточно заменить резистор R5 последовательной цепочкой из переменного резистора и постоянного сопротивлением 10- 12 кОм. Напряжение стабилизации стабилитрона Д6 должно быть на 5-10 В больше максимального напряжения включения динистора. Транзистор Т1. может быть любым из серий МП21, МП25, МП26. Динистор можно применить типов КН102Б, Д227А, Д227Б, Д228А, Д228Б. Резистор R1 составлен из двух мощностью по 2 Вт. Импульсный трансформатор Тр1 намотан на кольцевом сердечнике, имеющем размеры 26Х18Х4 мм, из пермаллоя 79НМА (или такого же сечения из феррита М2000НМ1). Обмотка I содержит 70 витков, а обмотка II – 50 витков провода ПЭВ-2 0,33 мм. Межобмоточная изоляция должна выдерживать напряжение, близкое к сетевому. Вместо динистора в регуляторе можно использовать транзистор, работающий в лавинном режиме. О работе транзисторов, в этом режиме подробно рассказывалось в “Радио”, 1974, № 5, С. 38-41. Схема одного из таких регуляторов показана на рис. 3. По принципу работы регулятор с транзистором, работающим в лавинном режиме, не отличается от предыдущего. Используемый транзистор типа ГТ311И имеет напряжение лавинного пробоя около 30 В (при сопротивлении резистора R3 равном 1 кОм). В случае применения других транзисторов – номиналы элементов R4, R5, С1 потребуется изменить. В регуляторе (рис. 3) могут быть использованы и другие транзисторы, в том числе и структуры р-n-р, например П416. В этом случае нужно у транзистора Т1 (см. рис. 3) поменять местами выводы эмиттера и коллектора. Резистор R3 во всех случаях должен быть включен между базой и эмиттером. Напряжение на нагрузке регулируют переменным резистором R4. Инж. Е. ФУРМАНСКИЙ Москва С аналогом однопереходного транзистора В регуляторе, схема которого показана на рис. 4, применен фазоимпульсный метод управления тринистором. В управляющем устройстве регулятора использован транзисторный аналог однопереходного транзистора (двухбазового диода). О работе однопереходных транзисторов можно прочитать в “Радио”, 1972, № 7, с. 56. Силовая цепь регулятора построена так же, как у регулятора, опубликованного в “Радио”, 1972, № 9, с. 55. При разомкнутых контактах выключателя В’2 действующее значение напряжения на нагрузке можно изменять в пределах от нескольких вольт до 110 В, а при замкнутых – от 110 до 220 В. По принципу работы управляющее устройство описываемого регулятора не отличается от устройств на динисторе или лавинном транзисторе (рис. 2 и 3). Мощность, подводимую к нагрузке, регулируют переменным резистором R5. Тринистор ДЗ и диод Д1 установлены на общем радиаторе площадью 50-80 см2. Резистор R1 составлен из двух резисторов мощностью 2 Вт. Инж. В. ПОПОВИЧ г. Ижевск. На симисторе Описываемый регулятор построен по схеме фазоимпульсного регулирования с использованием симистора (симметричного тирнстора). Схема регулятора показана на рис. 5. В управляющем устройстве применен транзисторный аналог однопереходного транзистора n-типа. При включении регулятора (выключателем В1) транзисторы Т1 ч Т2 закрыты и конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R4 (с помощью которого регулируют мощность, выделяемую на нагрузке Rн). Заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превысит порог открывания транзистора Т1. В этот момент транзисторы открываются и переходят в режим насыщения. Конденсатор быстро разряжается через них на первичную обмотку импульсного трансформатора Тр1. Импульс тока со вторичной обмотки открывает симистор Д5. Порог открывания транзисторов определяется сопротивлениями резисторов делителя R2R3. Импульсный трансформатор Тр1 намотан на кольце из феррита М2000НМ1-15 типоразмера К20х 12х6. Обмотка I содержит 50 витков, а II – 30 витков провода ПЭЛШО 0,25 мм. Конденсатор С1 – МБМ с рабочим напряжением 160 В. Максимально допустимый ток нагрузки регулятора 5 А. Пределы регулирования напряжения от нескольких вольт до 215 В. Инж. В. ПОНОМАРЕНКО. инж. В. ФРОЛОВ г. Воронеж C улучшенной регулировочной характеристикой В тиристорных регуляторах с фазоимпульсным управлением напряжение на конденсаторе RС-цепи во время его заряда увеличивается по экспоненциальному закону. При синусоидальной форме сетевого напряжения регулировочная характеристика, выражающая зависимость напряжения на нагрузке от сопротивления переменного резистора, оказывается резко нелинейной, что затрудняет плавную регулировку напряжения на нагрузке. Тиристорный регулятор, схема которого показана на рис. 6, в значительной степени свободен от этого недостатка. В регуляторе использован однопереходный транзистор. Улучшение линейности регулировочной характеристики достигается тем, что конденсатор С1 заряжается от напряжения сети (через резистор R4) и одновременно от источника постоянного стабилизированного напряжения (через делитель R5R6 и диод Д6}. Изменяя резистором R6 уровень постоянного напряжения, можно управлять моментом открывания тринистора и, следовательно, напряжением на нагрузке. Диод Д6 исключает возможность разряда конденсатора через резистор R6. Сопротивление резистора R4 выбирают таким, чтобы при замкнутом накоротко резисторе R6 напряжение на нагрузке было минимальным. Тогда при крайнем нижнем (по схеме) положении движка резистора R6 напряжение на нагрузке будет максимальным. Особенностью описываемого регулятора является способность стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении напряжения питающей сети. Управляющее устройство построено на однопереходном транзисторе по схеме фазоимпульсного регулирования. Источник: shems.h2.ru |
www.qrz.ru
Фазовое регулирование — Википедия
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 августа 2017; проверки требует 1 правка. Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 28 августа 2017; проверки требует 1 правка. Регулирование угла открытия вентилей (угла альфа)
Тиристорный выпрямительФа́зовое регули́рование напряжения — способ регулирования переменного электрического напряжения, обычно синусоидальной формы, путём изменения угла открытия тиристоров, симисторов, тиратронов или иных ключевых электронных приборов, на которых собран выпрямитель или электрический ключ.
В результате изменения угла открытия на нагрузку подаются неполные полуволны синусоиды (обычно с отрезанной начальной частью полупериода), в результате такого регулирования снижается действующее напряжение.
Применяется для плавного пуска двигателей постоянного тока, управления током зарядки аккумуляторных батарей, регулирования яркости электрических источников света и других целей.
Достоинство фазового регулирования — относительная дешевизна (в качестве силовых ключей обычно используются наиболее распространённые и дешёвые управляемые элементы — незапираемые тиристоры или симисторы), простота цепей управления. Основные недостатки — искажение формы напряжения в питающей сети, большой коэффициент пульсаций выходного напряжения, низкий коэффициент мощности.
Искажение формы напряжения в питающей сети происходит из-за того, что в течение полупериода сопротивление нагрузки меняется (резко падает при открытии вентилей), в результате чего возрастает ток и увеличивается падение напряжения на сопротивлениях источника и сети. Форма напряжения становится несинусоидальной, что особенно неблагоприятно для асинхронных двигателей.
Один из популярных бытовых электроприборов приборов, в котором используется фазовое регулирование — тиристорный регулятор мощности (так называемый диммер), используемый для регулирования нагрева тёплых полов, отопительных электроприборов или регулировки яркости свечения ламп.
На железнодорожном транспорте фазовое регулирование используется как в цепях зарядки аккумуляторных батарей, так и для управления тяговыми двигателями электровозов с питанием от контактной сети переменного тока, например, электровозы ВЛ80Р и ВЛ85, 2ЭС5К «Ермак» и ЭП1, экспериментального ЭП200.
Также бесконтактное управление игнитроном с помощью тиратронов имел довоенный (1938—1939 гг) экспериментальный электровоз ОР22.
Схемы устройств фазового регулирования[1]а — схема с углом регулирования до 90 градусов;
б — графики, иллюстрирующие принцип регулирования;
в — схема с фазосдвигающей RC-цепью.
- ↑ Кублановский Я. С. Тиристорные устройства — М.: Энергия, 1978. — 96 с.
- Касаткин А. С., Немцов М. В. Курс электротехники. М.: Высшая школа, 2005.
- Электровоз ВЛ80Р. Руководство по эксплуатации. Под редакцией Б. А. Тушканова. М., Транспорт, 1985.
- Андриевский Ю. А., Воскресенский Ю. Е., Доброленский Ю. П. М.: Авиационное оборудование. Воениздат, 1989.
ru.wikipedia.org
ИССЛЕДОВАНИЕ ФАЗО-ИМПУЛЬСНОГО УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ ВЫПРЯМИТЕЛЕМ
От выпрямителей часто требуется не только преобразовывать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Управлять выпрямленным напряжением можно как в цепи переменного напряжения, так и в цепи выпрямленного тока. При управлении в цепи переменного напряжения применяют специальные регулируемые трансформаторы (автотрансформаторы, трансформаторы с подвижными обмотками, с подмагничиванием сердечника и др.). Управление выпрямителем может также осуществляться с помощью реостатов или потенциометров, включаемых в цепи постоянного или переменного тока. Однако, подобные способы управления выпрямленным напряжением (током) при их относительной простоте имеют низкий к.п.д., большие массу, габариты и стоимость.
Более экономичным и удобным является управление выпрямленным напряжением (током) в процессе выпрямления, так называемое управляемое выпрямление.
Управляемые выпрямители чаще всего строятся на тиристорах.
Тиристорами называют управляемые полупроводниковые приборы на основе многослойных (четыре слоя или более) р-n структур, способные под действием сигналов управления переходить из закрытого (непроводящего) состояния в открытое (проводящее).
Наиболее распространенная разновидность тиристора основана на четырехслойной р-n-р-n структуре. Условно-графическое изображение такого тиристора приведено на рис. 3.1. Электроды прибора называются: А – анод, К – катод, УЭ – управляющий электрод.
а б в
Рисунок 3.1 – Тиристор управляемый по катоду (а), управляемый по аноду (б) и схема включения тиристора (в)
Если включить тиристор в электрическую цепь (рис. 3.1, в), то при нулевом сигнале на управляющем электроде ток в цепи будет отсутствовать
(I = 0). Это связано с тем, что в закрытом состоянии сопротивление тиристора очень велико. Если на управляющий электрод подать отпирающий импульс положительной полярности, то тиристор открывается и через нагрузку RН начинает протекать ток. Падение напряжения на включенном тиристоре мало (UПР.ОТКР = 1 – 3 В), поэтому анодный ток после включения определяется выражением
IН » UП/ RН
Важнейшей особенностью тиристора является то, что после его включения открытое состояние сохраняется вне зависимости от наличия сигнала на управляющем электроде. Выключить тиристор можно только в результате снижения анодного напряжения до нуля или до отрицательного значения (UП £ 0) или прерывания анодного тока. Управляющая цепь выполняет только одну функцию – включение тиристора. Такой тип тиристора является наиболее распространенным и называется однооперационным или незапираемым.
Существуют также двухоперационные (запираемые) тиристоры. В этих приборах при подаче отрицательного импульса на управляющий электрод возможно осуществить запирание анодного тока. Требуемая мощность запирающего управляющего импульса значительно выше мощности отпирающего импульса.
Если включить тиристор в электрическую цепь с источником переменного напряжения, то тиристор будет проводить ток в каждый положительный полупериод («+» подведен к аноду) при условии подачи управляющего импульса вначале каждого положительного полупериода. Изменяя момент подачи управляющего импульса, то есть угол сдвига момента подачи управляющего импульса относительно начала положительного полупериода, можно управлять средним значением тока и напряжения на нагрузке. Этот угол сдвига обозначают a и называют углом открытия (включения) тиристора.
Управляемый тиристорный выпрямитель содержит (рис. 3.2, а) трансформатор Т, выпрямительный блок на тиристорах VS и блок фазового управления БФУ.
В зависимости от назначения выпрямителя выпрямительный блок может строиться по однополупериодной, однофазной или трехфазной мостовой, шестифазной с уравнительным реактором, кольцевой и другим схемам.
Блок фазового управления обеспечивает формирование управляющих импульсов и их фазовое регулирование. Число каналов управления равно числу тиристоров выпрямительного блока. Изменение фазы импульсов может осуществляться ручным регулятором или автоматически в зависимости от сигналов обратной связи.
Если нагрузка работает на переменном токе, то она включается в сеть через пару (или несколько пар при многофазной нагрузке) встречно-параллельно включенных тиристоров (рис. 3.2, б).
Рисунок 3.2 – Структурная схема тиристорного выпрямителя (а) и управления нагрузкой, работающей на переменном токе
Блоки фазового управления могут строится по различным схемам. Основными являются схемы с использованием фазосдвигающей цепочки (фазовращателя) и схемы, использующие ток, называемый вертикальным принципом управления.
На рис. 3.3 приведена схема импульсно-фазового управления однополупериодным, однофазным выпрямителем с мостовым фазовращателем.
Рисунок 3.3 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с
импульсно-фазовым управлением
В состав мостового фазовращателя входят: вторичная обмотка трансформатора Т1, содержащая две одинаковые части W2 = W3 c выводом от средней точки, конденсатор С1 и резистор R1. Обозначим напряжения на обмотках трансформатора U3 и U4, напряжение на конденсаторе UС, а напряжение на резисторе UR. Очевидно, что
`U2 +`U3 =`Uав = `UС +`UR
Напряжения U3 и U4 совпадают по фазе между собой и с напряжением на обмотке W2, от которой питается цепь нагрузки тиристорного выпрямителя. Напряжение на конденсаторе UС отстает по фазе от напряжения на резисторе UR на 90°. Векторная диаграмма напряжений фазовращателя приведена на рис. 3.4.
Рисунок 3.4 – Векторная диаграмма фазовращателя
Так как векторы напряжений `UС и`UR сдвинуты на 90° и сумма их при любых значениях UC и UR`постоянна, то точка сложения этих векторов (точка d) лежит на окружности радиуса R = U3 = U4. Выходное напряжение фазовращателя Uфв = Uсd на векторной диаграмме отображается вектором `Ucd. Этот вектор сдвинут относительно напряжений U3 и U4, а значит и U2 на угол a. Изменяя величину сопротивления резистора R1 или емкость конденсатора C1, можно изменять угол a. Обычно переменным выполняют резистор R1. При R1®0, a ® 0, а при R ® ¥, a ® 180°. При этом амплитуда напряжения Uсd остается постоянной Uсd = U3 = U4.
Напряжение с выхода фазовращателя Uфв = Uсd поступает на вход усилителя – ограничителя на транзисторе VT1. Параметры усилителя выбираются таким образом, что режим насыщения транзистора в отрицательный полупериод UФВ и режим отсечки в его положительный полупериод достигаются при напряжении фазовращателя многократно меньшем амплитудного. Поэтому на выходе усилителя получаем трапецеидальные (близкие к прямоугольным) импульсы напряжения UКЭ. Далее эти импульсы дифференцируются цепочкой R2C2 и через диод VD1 подаются на управляющий электрод тиристора. После дифференцирования получаем короткие двуполярные импульсы, а диод VD1 пропускает на управляющую цепь тиристора только положительные импульсы.
Трапецеидальные и управляющие импульсы сдвигаются по фазе относительно сетевого напряжения вместе с выходным напряжением фазовращателя. Угол сдвига фаз a между анодным напряжением и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора определяет угол включения тиристора.
Временные диаграммы напряжений однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя для a = 0 и a = 90° приведены на рис. 3.5.
Рисунок 3.5 – Временные диаграммы напряжений: на аноде Uа, на выходе фазовращателя UФВ, на коллекторе транзистора UКЭ, на управляющем электроде тиристора UУ и на нагрузке UН при a = 0 и a = 90°
Среднее значение напряжения на нагрузке без учета потерь на тиристоре определится по формуле
, (3.1)
где U2m – амплитудное значение переменного напряжения, поданного на анодную цепь тиристора.
Похожие статьи:
poznayka.org
Схема управления мощным тиристором
В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.
На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ — открытому.
При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).
Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода — динистора.
Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод — катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.
При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.
Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.
Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.
Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 — график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.
На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К — максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр— внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.
Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.
После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.
Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.
Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.
Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.
Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе — большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.
Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста — регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.
При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.
Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.
Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.
На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.
При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.
Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.
Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:
изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),
изменением его начального уровня (2б) и
изменением величины постоянного напряжения (1а).
На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.
Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.
На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 — Д4).
Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).
При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.
Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.
Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.
Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.
В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).
Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.
Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.
На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.
В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.
Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.
Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б — по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.
Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.
Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4— R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».
В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.
Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.
Определение
Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.
Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).
Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.
Основные характеристики
Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:
Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).
Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).
Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).
Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.
Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.
Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.
Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).
Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).
Ток управления (IGT).
Максимальный ток управления электрода IGM.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)
Принцип работы
Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.
Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.
Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.
После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).
Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.
Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.
После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.
Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.
Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами
Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.
Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.
Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.
Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.
Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.
По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.
Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.
На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.
Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.
Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках “zero crossing detector circuit” или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:
Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».
Заключение
Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…
Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2. 3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо). От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.
Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20. 50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.
Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5. 25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5. 30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.
Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.
И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.
mytooling.ru
