Фазовое управление симистором: Регулятор мощности с фазовым управлением. Симисторный регулятор мощности

Симисторный регулятор мощности с микроконтроллерным управлением / Хабр

Однажды для одного небольшого домашнего проекта мне потребовался регулятор мощности, пригодный для регулировки скорости вращения электромотора переменного тока. В качестве основы использовалась

вот такая плата

на базе микроконтроллера STM32F103RBT6. Плата была выбрана как имеющая честный RS232 интерфейс и имеющая при этом минимум дополнительных компонентов. На плате отсутствует слот под литиевую батарейку для питания часов, но приживить его — дело пятнадцати минут.

Итак, начнём с теории. Все знакомы с так называемой широтно-импульсной модуляцией, позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД. Лишняя мощность в таком случае просто не будет потребляться, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла, как при линейном регулировании, представляющем собой не более чем усложнённый вариант реостата. Однако, по ряду причин такое управление, будучи выполненным «в лоб», не всегда подходит для переменного тока.

Одна из них — бо́льшая схемотехническая сложность, поскольку требуется диодный мост для питания силовой части на MOSFET или IGBT транзисторах. Этих недостатков лишено симисторное управление, представляющее собой модификацию ШИМ.

Симистор (TRIAC в англоязычной литературе) — это полупроводниковый прибор, модификация тиристора, предназначенный для работы в качестве ключа, то есть он может быть либо открыт, либо закрыт и не имеет линейного режима работы. Основное отличие от тиристора — двусторонняя проводимость в открытом состоянии и (с некоторыми оговорками) независимость от полярности тока (тиристоры и симисторы управляются током, как и биполярные транзисторы) через управляющий электрод. Это позволяет легко использовать симистор в цепях переменного тока. Вторая особенность, общая с тиристорами, — это свойство сохранять проводимость при исчезновении управляющего тока. Закрывается симистор при отключении тока между основными электродами, то есть, когда переменный ток переходит через ноль. Побочным эффектом этого является уменьшение помех при отключении. Таким образом, для открывания симистора нам достаточно подать на управляющий электрод открывающий импульс небольшой, порядка десятков микросекунд, длительности, а закроется он сам в конце полупериода переменного тока.

Симисторное управление учитывает вышеперечисленные свойства этого прибора и заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Заштрихованная на рисунке часть — результат этой процедуры. Таким образом, на выходе вместо синусоиды мы будем иметь что-то, в известной степени напоминающее пилу:

Теперь наша задача — вовремя отпирать симистор. Эту задачу мы возложим на микроконтроллер. Приведённая ниже схема является результатом анализа имеющихся решений а также документации к оптронам. В частности, силовая часть взята из документации на симисторный оптрон производства Texas Instruments.

Схема не лишена недостатков, один из которых — мощный проволочный резистор-печка, через который включён оптрон, детектирующий переход через ноль.

Как это работает? Рассмотрим рисунок.

На положительном полупериоде, когда ток через оптрон превышает некоторое пороговое значение, оптрон открывается и напряжение на входе микроконтроллера опускается практически до нуля (кривая «ZC» на рисунке). Когда же ток снова опускается ниже этого значения, на микроконтроллер снова поступает единица. Происходит это в моменты времени, отстоящие на dz от нуля тока. Это dz ощутимо, в моём случае составляет около 0.8 мс, и его необходимо учитывать. Это несложно: мы знаем период T и длительность импульса высокого уровня h, откуда dz = (h — T / 2) / 2. Таким образом, нам необходимо открывать симистор через dz + dP от переднего фронта сигнала с оптрона.

О фазовом сдвиге dP стоит поговорить отдельно. В случае c ШИМ постоянного тока среднее значение тока на выходе будет линейно зависеть от скважности управляющего сигнала. Но это лишь потому, что интеграл от константы даёт линейную зависимость. В нашем случае необходимо отталкиваться от значения интеграла синуса. Решение простого уравнения даёт нам искомую зависимость: для линейного изменения среднего значения тока необходимо менять фазовый сдвиг по закону арккосинуса, для чего достаточно ввести в управляющую программу LUT таблицу.

Всё, о чём я расскажу в дальнейшем, имеет прямое отношение к архитектуре микроконтроллеров серии STM32, в частности, к архитектуре их таймеров. Микроконтроллеры этой серии имеют разное число таймеров, в STM32F103RBT6 их семь, из которых четыре пригодны для захвата и генерации ШИМ. Таймеры можно каскадировать: для каждого таймера одно из внутренних событий (переполнение, сброс, изменение уровня на одном из входных или выходных каналов и т.д.; за подробностями отсылаю вас к документации) можно объявить выходным и направить его на другой таймер, назначив на него определённое действие: старт, стоп, сброс и т.д. Нам потребуются три таймера: один из них, работая в т.

н. PWM input режиме, замеряет период входного сигнала и длительность импульса высокого уровня. По окончании измерения, после каждого периода генерируется прерывание. Одновременно с этим запускается связанный с этим событием таймер фазового сдвига, работающий в ждущем режиме. По событию переполнения этого таймера происходит принудительный сброс таймера, генерирующего выходной управляющий сигнал на симистор, таким образом, через каждый полный период переменного тока подстраивается фаза управляющего сигнала. Только первый таймер генерирует прерывание, и задача обработчика сводится к подстройке фазового сдвига (регистр ARR ждущего таймера) и периода ШИМ таймера (также регистр ARR) так, чтобы он всегда был равен половине периода переменного тока. Таким образом, всё управление происходит на аппаратном уровне и влияние программных задержек полностью исключается. Да, это можно было сделать и программно, но грех было не воспользоваться такой возможностью, как каскадируемые таймеры.

Выкладывать на обозрение код всего проекта я не вижу смысла, к тому же, он далёк от завершения. Приведу лишь фрагмент, содержащий описанный выше алгоритм. Он абсолютно независим от прочих частей и легко может быть портирован в другой проект на совместимом микроконтроллере.

И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии:

Электроника НТБ – научно-технический журнал – Электроника НТБ

Механический термостат
Механический термостат, используемый в электроплитах и нагревателях с резистивным нагревательным элементом, работает следующим образом. При нагреве между двумя проводниками с помощью биметаллической пластины устанавливается электрический контакт. Коммутируемый ток протекает через биметаллическую пластину, вызывая ее нагрев, по достижении определенной температуры пластина изгибается, и соединение размыкается. После размыкания пластина остывает, и цикл повторяется. Для управления частотой повторения циклов нагрева используется специальный винт, с помощью которого регулируется сила сжатия контактов. Обычно на головке винта имеется ручка для выставления температуры или мощности. Ясно, что такая установка не может быть точной. Кроме того, в процессе работы вследствие постоянного температурного расширения-сжатия изнашиваются как сами контакты (обгорают), так и биметаллическая пластина . Все это сильно сказывается на долговечности металлических термостатов.

Принцип работы симистора

Симистор – полупроводниковый элемент с тремя выводами (двумя силовыми и одним управляющим), предназначенный для коммутации нагрузки в сети переменного тока. Для управления режимом работы симистора используется низковольтный сигнал, подаваемый на его управляющий электрод. При подаче напряжения на этот электрод симистор открывается и пропускает ток (рис.1). Каждый квадрант на рис.1 соответствует определенному режиму работы симистора: QI, QII и QIII – рабочие квадранты, QIV – запрещенный. В этом квадранте симистор может выйти из строя, и для сохранения его рабочего состояния используются специальные схемы защиты. Возможна работа только при отрицательных уровнях управляющего напряжения, т.

е. в квадрантах QII и QIII. Следует заметить, что в настоящее время многие производители полупроводниковых приборов освоили производство так называемых трехквадрантных симисторов, у которых случайный переход в квадрант QIV невозможен.
Поскольку работой симистора управляет не уровень напряжения, а ток, возможно его подключение непосредственно к выводу микроконтроллера, ток которого может достигать 25 мА. Симистор остается в открытом состоянии до окончания полупериода коммутируемого напряжения. При переходе напряжения через нуль симистор закрывается – он оказывается в другом квадранте, и чтобы его открыть требуется следующий управляющий импульс.

Фазовое управление
Мощность, подводимая к нагрузке, может регулироваться за счет управления фазой через симистор (рис.2). Метод аналогичен широтно-импульсной модуляции и заключается в пропускании через симистор части полупериода сетевого напряжения. Ток нагрузки пропорционален интегралу от полученного сигнала. Этот режим используется в регуляторах освещенности – диммерах.

Яркость свечения лампы пропорциональна площади под обрезанной синусоидой. Достоинство метода – равенство частоты пульсаций на нагрузке сетевой частоте. Это важно для управления осветительными приборами, так как уменьшение частоты может сказаться на появлении мерцания, заметного глазом.
Недостаток метода – возникновение наводок в результате резкого переключения симистора. Эти наводки ухудшают электромагнитную совместимость (EMI) устройства и могут вызвать ненужные переключения симистора.

Пропуск периодов
Альтернативный метод управления мощностью симистора – пропуск периодов подаваемого переменного напряжения. Для регулирования тока нагрузки симистор пропускает только часть периодов сетевого напряжения, при этом, поскольку симистор включается в момент перехода сетевого напряжения через нуль, проблема электромагнитной совместимости не возникает. Режим пропуска периодов пригоден для управления резистивными нагрузками, но не применим для осветительных приборов, так как вызывает мигание ламп накаливания.

Оба рассмотренных метода управления мощностью симистора требуют фиксировать момент прохождения сетевого напряжения через нуль. Один из способов выполнения этой задачи – подавать переменное сетевое напряжение непосредственно на вход микроконтроллера через последовательный резистор с сопротивлением несколько мегаом. И тут целесообразно использовать микроконтроллеры семейства PIC компании Microchip. Защитные диоды на портах этих микроконтроллеров позволяют ограничивать сетевое напряжение: сверху – напряжением питания и снизу – уровнем заземления (GND). Существует и альтернативный способ, который обсудим подробнее.
Рассмотрим схему блока управления нагрузкой микроконтроллера PIC10F204 компании Microchip со встроенным аналоговым компаратором (рис.3). Для питания микроконтроллера используется бестрансформаторный резистивный источник*. Момент перехода сетевого напряжения через нуль регистрируется с помощью сигнала на аноде стабилитрона, который через резистор, ограничивающий ток, подается непосредственно на вывод порта микроконтроллера.
В схеме управления током нагрузки нет цепи обратной связи, поэтому для установки требуемого значения мощности используется переменный резистор, т.е. здесь реализован электронный аналог традиционного механического термостата. Нагрузкой служит резистивный нагреватель. При сетевом питании 220 В действующее значение тока составляет 5 А. Симистор следует выбирать на большее значение рабочего тока и устанавливать на теплоотвод. В предлагаемой схеме используется симистор BTA208-600F фирмы Philips.
Для оцифровки значения сопротивления переменного резистора, регулирующего мощность, используется интегрирующий преобразователь на базе конденсатора С6, а для стабилизации задающего напряжения применен стабилитрон D4 на напряжение 3 В. В начале цикла преобразования вывод GP1 микроконтроллера настраивается на вывод сигнала, и на нем устанавливается высокий уровень напряжения, которое заряжает конденсатор. Далее вывод конфигурируется как вход компаратора. Конденсатор начинает разряжаться через переменный резистор, причем время разрядки пропорционально значению сопротивления резистора. В момент, когда напряжение на конденсаторе падает до внутреннего опорного напряжения микроконтроллера, равного 0,6 В, срабатывает компаратор, который и фиксирует время разрядки. Значение сопротивления переменного резистора рассчитывается по формуле:

t = -(RPOT1 + R12)·C6·ln(VREF / Vz),
где t – время разрядки конденсатора, RPOT1 – сопротивление переменного резистора, VREF – внутреннее опорное напряжение (0,6 В), VZ – напряжение на стабилитроне (3 В).
В устройстве используется переменный резистор с сопротивлением 25 кОм и линейной зависимостью сопротивления от угла поворота регулирующего движка. Время разрядки конденсатора лежит в пределах 3,53-7,56 мс, время полной разрядки должно быть меньше 10 мс, так как необходимо, чтобы работа микроконтроллера была синхронизирована с сетью. Диаграмма работы преобразователя представлена на рис.4.

Борьба с шумами
Представленная на рис.3 схема цифрового термостата предполагает идеальное сетевое питание. Но в реальной сети существуют достаточно сильные помехи, которые могут сказаться на работе микроконтроллера. Особенно опасны шумы мегагерцевого диапазона, амплитуда которых может достигать десятков киловольт. Если при разработке схемы учесть этот факт и принять ряд несложных мер по изоляции микроконтроллера от высокочастотных шумов, то удастся сэкономить много сил и времени при отладке. На рис.5 представлена модификация схемы с учетом данных рекомендаций.
Первое, на что следует обратить внимание, – наличие фильтра в цепи питания микроконтроллера (C3, R4 и R5). Выполняются отдельные заземления цифровой части схемы и зашумленной аналоговой. И во-вторых, выводы микроконтроллера защищены фильтрами низкой частоты (GP2, GP3), которые рекомендуется выполнять на основе керамических конденсаторов.

Программное обеспечение
Для управления электронным термостатом предлагается алгоритм работы. Основной цикл программы – отслеживание перехода сетевого напряжения через нуль. При регистрации этого перехода решается вопрос открытия симистора в данный полупериод. Для открытия симистора на вывод GP2 контроллера выдается импульс длительностью порядка 2 мс.
Преобразование значения сопротивления переменного резистора привязано к определенным полупериодам сетевого напряжения. Во время положительного полупериода происходит зарядка конденсатора, во время отрицательного – непосредственно преобразование. Временные параметры интегрирующей цепи выбираются на основе частоты питающего напряжения (см. формулу). Время разрядки конденсатора измеряется таймером 0.
Управление мощностью осуществляется путем пропуска периодов сетевого напряжения: полный цикл составляет 10 полупериодов – т.е. число полупериодов, во время которых нагрузка запитывается пропорционально значению сопротивления задающего резистора. Если это сопротивление не равно нулю, зажигается светодиод и таймер запускается на два часа. Повторный запуск таймера происходит при смене задающего значения сопротивления. По прошествии двух часов нагрузка отключается и включается лишь после сброса питания или задания нового уровня мощности.
Программное обеспечение занимает порядка 130 ячеек памяти программ и использует 10-байт ОЗУ.
Полученный электронный термостат имеет следующие преимущества перед механическим аналогом:
· повышенная надежность, обусловленная практически полным отсутствием механических деталей;
· наличие встроенных средств защиты, таких как таймер автоматического отключения;
· индикация рабочего режима;
· гибкость схемы, предусматривающей внутрисхемное программирование микроконтроллера и получение на основе одного и того же конструктива устройств с различной функциональностью;
· повышенная точность и возможность работы при малых уровнях мощности.
Следует отметить, что предложенная система может быть доработана путем введения следующих функций:
· обратной связи по температуре и реализации несложного закона поддержания и регулировки температуры;
· самокалибровки;
· дистанционного управления устройством, например по инфракрасному или радиоканалу;
· фазового управления для регулировки тока ламп накаливания.

На основе предложенной схемы возможна реализация целой гаммы несложных устройств управления сетевым питанием, которые могут применяться в бытовой технике, осветительных приборах, в промышленности и сельском хозяйстве.

Регулятор мощности с фазовым управлением симистором на микроконтроллере PIC16F84A – Регуляторы мощности – Источники питания

Регулятор предназначен для плавного управления мощностью активной нагрузки, питающейся от сети переменного тока 220 вольт частотой 50 Гц. Мощность нагрузки зависит от типа применяемого симистора. В основу метода управления положен принцип фазового регулирования момента включения симистора, включенного последовательно с нагрузкой. 

Фото регулятора представлены на риснках :

В момент включения мощность на нагрузке нарастает плавно, что удобно, если регулятор будет использоваться для регулирования яркости лампы освещения. Вообще область применения регулятора самая широкая. 

Основным элементом   регулятора является микроконтроллер PIC16F84A. По входу RB0 микроконтроллера организовано прерывание в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Перепад на этом выводе формирует узел на оптопаре U1 (АОУ110Б). От момента прерывания программно организована задержка включения симистора, которая меняется в определённых пределах. На светодиодном индикаторе это выглядит как регулирование мощности от 0 до 99%. 

Схема регулятора мощности представлена на рисунке : 

Погрешность соответствия показаний индикатора и действительной мощности подводимой к нагрузке вполне достаточная для применения регулятора для бытовых целей. Кнопки  S1  и  S2 служат для увеличения и уменьшения мощности соответственно. В подпрограмме опроса кнопок организовано несколько режимов, удобных в пользовании, при однократном нажатии изменение на единицу значения, при долгом нажатии быстрое изменение и очень быстрое.
     Узел управления симистором состоит из элементов U2, VD3, R5, стандартное схемное решение, оптотиристор U2 (АОУ103В) обеспечивает гальваническую развязку и с помощью диодного моста VD3 (W08) управление симистором VS1.  
     Схема питается от сети через трансформатор T1. Далее напряжение выпрямляется диодным мостом VD2, часть напряжения поступает на оптопару  U1, для формирования перепада перехода сетевого напряжения через ноль, остальная часть через диод VD1 на микросхему стабилизатора IC1, которая стабилизирует напряжение до 5 вольт. Элементы С1, С2, С7 служат для сглаживания пульсаций сетевого напряжения.
АРХИВ: Скачать

ФОРУМ : ТУТ

Симистор и его применения – основы радиотехники

Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, как это показано на рис.1, чтобы обеспечить двух-полупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников, как это видно из рисунка.

Рис.1 Двухполупериодный регулятор можно построить на двух тиристорах. Для изоляции источников импульсов от напряжения сети используются оптопары.

Самым полезным устройством для практического регулирования мощности переменного напряжения является двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис2. симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симисторы являются настолько гибкими устройствами, что их можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, не мудрствуя лукаво, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он подается относительно катода.

Рис2. Симистор: (а) структура, (b) условное обозначение.

Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки (рис. 3). В качестве ключа SW1 могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R1 в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R1 падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

Рис.3 Простое «твердотельное реле» на симисторе.

Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.4 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RC-фазовращателем; потенциометром R2 регулируют яркость лампы, тогда как резистор R1 просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, то есть двунаправленным триггерным диодом. Динистор можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С1 достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

Рис.4 Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением.

Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С1 фотоэлемент ORP12 (светозависимый резистор). Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может поджечься и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R2 можно заменить на короткое замыкание.

На рис.5 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется сопротивлением R1+R2 и емкостью С1. В простейшей схеме управления на рис.4 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

Более совершенная схема приведена на рис.6; включение дополнительной RC-цепочки (R3С3) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени R4С4 для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L1C1 для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

Рис.5 Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига.

Имеется большое число различных симисторов и тиристоров которые нашли широкое применение в бытовой технике. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужными номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным.

Рис.6 Симисторный регулятор мощности с широким диапазоном регулировки и встроенным подавлением помех.

Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор.

На рис.7 показаны корпуса и цоколевка распространенных симисторов. Если симистор должен использоваться на полную допустимую мощность, то его необходимо закрепить на теплоотводе.

Подавление радиочастотных помех, создаваемых симисторными или тиристорными регуляторами с фазовым управлением, становится более трудным и дорогим при больших значениях тока нагрузки. В электрических нагревателях и в других нагрузках с большой инерционностью можно уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое число полупериодов. Это позволяет избежать скачкообразных изменений тока, которые и вызывают радиочастотные помехи. Такой способ называется прерывистым запуском или управлением с целым числом периодов. Этот способ, как правило, не подходит для управления яркостью лампы из-за мерцания. Для осуществления управления с целым числом периодов подходят такие микросхемы, как SL441, включающиеся при нулевом напряжении. Они определяют пересечение напряжением сети нулевого уровня и обеспечивают запуск симистора от датчика, сопротивление которого меняется, например, от термистора.

 

Рис.7 Корпуса распространенных симисторов: (а) корпус Т066, (b) болтовой крепеж, (с) пластмассовый корпус Т0220.

 

Регулятор сетевого напряжения

Фазовый  регулятор  напряжения на ждущем мультивибраторе                 Фазовый регулятор, представленный ниже, содержит узел формирования сигнала перехода через “ноль” полуволн сетевого напряжения, собранный  на транзисторе VT1.     В течении всего полупериода транзистор открыт и только в момент перехода закрывается, и на его коллекторе появляется положительный импульс, запускающий  ждущий  мультивибратор на  микросхеме D1.1.  Элементы R4, R5, C1 определяют длительность сформированного импульса, которая должна быть в пределах  от 0 до 10 мсек.  По заднему фронту  этого импульса  запускается  второй ждущий мультивибратор, формирующий короткий сигнал запуска  тиристора  VS1.  Благодаря применению второго ждущего мультивибратора схема формирует достаточно большой ток запуска тиристора и потребляет маленький ток.  Регулировка выходного напряжения производится  в широких пределах – практически от 0 до 100 %.   В сравнении с “типовыми” схемами, описанными на предыдущей  странице,  предлагаемая работает гораздо устойчивей.   При настройке схемы может потребоваться подбор номинала резистора R5 и конденсатора С1 для получения  необходимого диапазона регулировки выходного напряжения. При токе нагрузки более 2А может потребоваться установка тиристора и диодного моста на небольшой радиатор. Заменив диодный мост на более мощный, например KBPC 3506, можно повысить ток нагрузки до 10А и более.  Схема не имеет фазовой чувствительности к изменению питающего напряжения, т.е при изменении питающего напряжения напряжение нагрузки меняется пропорционально.  Схему можно использовать для регулировки напряжения на любых нагрузках, работающих на постоянном токе – лампах накаливания, электропаяльниках, электроплитах, электронагревательных приборах и т.д.    Вместо тиристора можно использовать симистор – в этом случае через  нагрузку  протекает переменный ток, что  иногда может быть очень важным.  В этой конструкции отсутствует мощный диодный мост, что уменьшает габариты устройства.  Максимальный ток нагрузки определяется только типом применяемого симистора и системой его охлаждения.   Схема работает  аналогично выше описанной. На транзисторах VT1, VT2 собран узел формирования сигнала перехода через “ноль” положительных и отрицательных  полуволн сетевого напряжения.  Для управления симистором используется каскад формирования отрицательных импульсов на транзисторе VT3.  В момент появления на выходе микросхемы D1.2 импульса запуска  на управляющем электроде симистора формируется импульс отрицательной полярности за счёт заряда конденсатора С4, который открывает симистор как во время действия положительной полуволны сетевого напряжения, так и отрицательной.  Задержку импульса запуска можно осуществить и с помощью логических КМОП элементов, как это сделать – описано на следующей странице. 1.  Простые регуляторы переменного напряжения 2.  Фазовый регулятор на компараторе 3.   Фазовый регулятор на цифровых микросхемах

Управление мощной нагрузкой переменного тока

Тиристор

Иногда нужно слабым сигналом с микроконтроллера включить мощную нагрузку, например лампу в комнате. Особенно эта проблема актуальна перед разработчиками умного дома. Первое что приходит на ум — реле. Но не спешите, есть способ лучше 🙂

В самом деле, реле это же сплошной гемор. Во первых они дорогие, во вторых, чтобы запитать обмотку реле нужен усиливающий транзистор, так как слабая ножка микроконтроллера не способна на такой подвиг. Ну, а в третьих, любое реле это весьма громоздкая конструкция, особенно если это силовое реле, расчитанное на большой ток.

Если речь идет о переменном токе, то лучше использовать симисторы или тиристоры. Что это такое? А сейчас расскажу.

Симистор BT139

Схема включения из даташита на MOC3041

Если на пальцах, то тиристор похож на диод, даже обозначение сходное. Пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую. Но есть у него одна особенность, отличающая его от диода кардинально — управляющий вход.
Если на управляющий вход не подать ток открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется. Полярность управляющего напряжения предпочтительно должна совпадать с полярностью напряжения на аноде.

Если соединить встречно параллельно два тиристора, то получится симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.

На положительной полуволне синусоиды пропускает один, на отрицательной другой. Причем пропускают только при наличии управляющего сигнала. Если сигнал управления снять, то на следующем же периоде оба тиристора заткнутся и цепь оборвется. Крастота да и только. Вот ее и надо использовать для управления бытовой нагрузкой.

Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер MOC3041. Замечательная вещь!
Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке. Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.

Вообще, можно и без развязки и тоже будет работать, но за хороший тон считается всегда делать потенциальную развязку между силовой и управляющей частью. Это и надежность и безопасность всей системы. Промышленные решения так просто набиты оптопарами или всякими изолирующими усилителями.

Ну, а в качестве симистора рекомендую BT139 — с хорошим радиатором данная фиговина легко протащит через себя ток в 16А

Фазовый регулятор мощности: схема, для индуктивной нагрузки

Что такое фазовый регулятор

Обычно фазовый генератор представляет собой небольшое устройство с поворотным механизмом, которое позволяет уменьшать или увеличивать подаваемую на приборы мощность. Работа таких устройств основана на одном небольшом полупроводниковом приборе, называемом симистором. Он позволяет изменять конфигурацию и фазность сигнала, что меняет и мощность приборов.

Что собой представляет фазовый регулятор

Обратите внимание! Такой прибор можно купить в магазине или же собрать для своей цепи самостоятельно. Применяют его для одно- и трехфазных сетей с небольшими различиями в конструкции.

Симистор

Управление с гальванической развязкой

В некоторых случаях может возникнуть необходимость включения или отключения наг­рузки с помощью слаботочного сигнала управления, гальвани­чески развязанного от питаю­щей сети.

При этом сигнал уп­равления может формироваться за несколько десятков или даже сотен метров от цепей питания нагрузки. Соответствующая схе­ма приведена на рис. 4.

Рис. 4. Схема управления фазовым регулятором мощности с опторазвязкой.

При подаче управляющего напряжения фотосимистор опто- пары U1 открыт, и регулятор VS1 находится в проводящем состоянии, степень которого определяется положени­ем движка переменного резистора R2.

При отсутствии управляющего напря­жения ток через светодиод оптопары не протекает, и фотосимистор закрыт при любом положении движка переменного резистора R2.

В описанных выше регуляторах мощности переменные резисторы могут быть типов СП-1, СП-04, СПЗ-4М, СПЗ-ЗО. Мощные тиристоры VS1, VS3 могут быть также типов Т122-25, Т132-25, Т142-40, Т142-63, Т142-80; мощный симистор VS1 может быть типов ТС112-16, ТС 122-20, ТС 132-40, ТС132-50, ТС142-63, ТС142-80. В качестве оптопары U1 может быть использована также зарубежная МОС3021 или отечественная АОУ160 (А, Б, В).

Технические характеристики

Фазовый регулятор мощности имеет несколько важных характеристик, изменение которых влечет перемены в работе всей цепи. Разобрать данные характеристики можно на примере регуляторов марки PR, которые являются одними из самых популярных:

• напряжение в цепи 220 В;
• частота переменного тока 50 Гц;
• регуляция мощности в пределах от 0 до 97 % исходного значения;
• максимально допустимый уровень нагрузки составляет 1500 Вт;
• сила тока на аноде от 7 А при рабочей температуре 80 °С до 2 А при 100 °С;
• пределы рабочей температуры (на корпусе) от −10 °С до 100 °С;
• амплитуда колебания напряжения 1,75 В;
• масса до 15 г.

Модель PR
Для разных целей и цепей требуются регуляторы с различными характеристиками. В зависимости от цепи может понадобиться другая мощность регулятора, номинальное напряжение или частота тока.

Важно! У любого устройства регуляции мощности нужно обращать внимание на температурные пределы, особенно на верхнюю границу. Устройство при работе само выделяет большое количество тепла, а высокая окружающая температура может вызвать порчу схемы и даже возгорание.

Типовая схема включения

Электроды регулятора обозначены буквами К, А, УЭ (катод, анод, управ­ляющий электрод). Хотя регулятор и предназначен для работы на перемен­ном токе, выводы анода и катода не аналогичны, что определяет схему под­ключения переменного резистора R1 (между анодом и управляющим элек­тродом).

Рис. 1. Микросхема фазового регулятора мощности PR-1500: а — габаритные и установочные размеры, б — типовая схема включения.

Ток, протекающий через переменный резистор, не превышает 0,3 мА во всем диапазоне регулирования мощности, а напряжение на этом ре­зисторе изменяется от 0 (при подаче максимальной мощности в нагрузку) до полного напряжения сети (при нулевой мощности в нагрузке). Мощность, выделяющаяся на переменном резисторе, не превышает 0,2 Вт.

При подаче в нагрузку максимальной мощности форма импульсов име­ет вид, показанный на рисунке 2.

Рис. 2. Форма импульсов при максимальной мощности нагрузки.

При этом значение угла открывания ф0 составляет около 20. 30°, а напряжения открывания Uo (мгновенное значение) – соответственно 100… 150 В (при напряже­нии питающей сети 220 В). Подключенный между ано­дом и катодом регулятора вольтметр при этом показы­вает напряжение 8… 10 В действующего значения.

Следует отметить, что регулятор способен работать при снижении нап­ряжения питания до 100 В. Для снижения уровня помех, образующихся при работе регулятора, следует использовать соответствующий LC-фильтр, включаемый на входе регулятора мощности.

Как работает фазовый регулятор

Главную роль в работе фазового регулятора играет симистор. Он представляет собой нелинейный ключ на основе полупроводника. Данный элемент был получен благодаря усовершенствованию тиристора. Главное отличие состоит в том, что этот полупроводниковый ключ в открытом состоянии пропускает ток не в одном, а в двух направлениях. Это свойство дает симисторам возможность применения в цепях с переменным током, так как на них никак не влияет полярность напряжения, которая постоянно меняется в данных цепях.

Вам это будет интересно Электросчетчик Меркурий 201Трансформатор: условное обозначение и описание

Наличие нового свойства не означает отсутствие старого, характерного и для симисторов, и для тиристоров. Даже когда электрод управления отключен, проводимость всего элемента активна. Момент, когда элемент закрыт, наступает только тогда, когда переменный ток находится в положении ноль (то есть разность потенциалов на двух других контактах будет также равна нулю).

Обратите внимание! Еще одно полезное свойство применения симистора в качестве основного элемента — подавление помех на фазе при закрытии элемента. Это намного проще транзисторного регулятора, который также умеет уменьшать шумы входного сигнала.

Изменения сигнала

Все эти характеристики позволяют конструкции на основе симисторов осуществлять фазное изменение в сигнале. Каждый полупериод проводимость отключается, а время между закрытием и открытием прибора срезает часть периода. Сигнал из-за этого становится пилообразной формы. Путем изменения формы сигнала и происходит фазовое управление мощностью тока.

Важно! Симистор никак не влияет на амплитуду напряжения, поэтому название «регулятор напряжения» неправильно.

Практические примеры для повторения

Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.

Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.

Доминирующая схема

Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.

Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.

При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.

В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.

Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.

Назначение

Регулятор мощности пригодится в цепях, содержащих следующие электрические приборы:

Регулятор с двигателем

• электродвигатели;
• устройства, которые используют в своей работе компрессоры;
• бытовые приборы: стиральные машины, вентиляторы, пылесосы;
• электрические инструменты различного рода;
• различные приборы освещения.

Простой пример использования регулятора при освещении
Важно! Не рекомендуется использовать фазовый регулятор в цепях, в которые включены холодильники, компьютеры, телевизоры и прочие потребители с тонкой настройкой, изменения характера работы которых может повлечь порчу устройства или другие непредсказуемые последствия.

Увеличение мощности

Если мощность в нагрузке превышает 1500 Вт, для регулирования следу­ет использовать тиристоры (рис. 3, а) или симисторы (рис. 3, б), рас­считанные на соответствующие токи.

Рис. 3. Схема подключения фазового регулятора мощности к тиристору и симистору для увеличения мощности.

Предельное значение тока через нагрузку составляет 100 А (для схемы на рис. 3, а) и 50 А (для схемы на рис. 3, б). Мощность нагрузки при указанном сетевом напряжении может составлять соответственно 22 кВт и 11 кВт. В обоих случаях через нагрузку протекает переменный ток.

Как правильно использовать

Безопасность и успешность работы регулятора зависят от соблюдения нескольких правил:

• соблюдение температурного режима. Прибор может сильно нагреваться, особенно если окружающая среда тоже имеет высокую температуру. В этом случае стоит позаботиться о наличии охлаждения;
• подбирать регулятор нужно с учетом всех параметров сети;
• сила тока в цепи не должна равняться максимально допустимой для регулятора;
• при самостоятельной сборке необходимо обеспечить прибору защиту от поражений током, заключив его в корпус.

Приборы для зарядного устройства

Чтобы сделать регулятор тока для зарядного устройства, тиристоры необходимы только триодного типа. Запирающий механизм в данном случае будет контролировать управляющий электрод в цепи. Полевые транзисторы в устройствах используются довольно часто. Максимальной нагрузкой для них является 9 А. Низкочастотные фильтры для таких регуляторов не подходят однозначно. Связано это с тем, что амплитуда электромагнитных помех довольно высокая. Решить эту проблему можно просто, используя резонансные фильтры. В данном случае проводимости сигнала они препятствовать не будут. Тепловые потери в регуляторах также должны быть незначительными.

Изучены простые схемы управления фазой симистора

В схеме управления фазой симистора симистор включается только для определенных частей полупериодов переменного тока, заставляя нагрузку работать только в течение этого периода формы волны переменного тока. Это приводит к контролируемой подаче мощности на нагрузку.

Симисторы широко используются в качестве твердотельной замены реле для переключения мощных нагрузок переменного тока. Однако есть еще одна очень полезная функция симисторов, которая позволяет использовать их в качестве контроллеров мощности для управления данной нагрузкой на желаемых конкретных уровнях мощности.

Это в основном реализуется двумя способами: фазовое управление и переключение при нулевом напряжении.

Приложение управления фазой обычно подходит для таких нагрузок, как регуляторы освещенности, электродвигатели, а также методы регулирования напряжения и тока.

Переключение при нулевом напряжении больше подходит для резистивных нагрузок, таких как лампы накаливания, нагреватели, паяльники, гейзеры и т. Д. Хотя ими также можно управлять с помощью метода фазового регулирования.

Как работает управление фазой симистора

Симистор может быть активирован в любой части приложенного полупериода переменного тока, и он будет продолжать находиться в проводящем режиме только до тех пор, пока полупериод переменного тока не достигнет линии пересечения нуля.

Это означает, что когда симистор срабатывает в начале каждого полупериода переменного тока, симистор по существу включается так же, как переключатель ВКЛ / ВЫКЛ, включенный.

Однако предположим, что если этот сигнал запуска используется где-то на полпути формы сигнала цикла переменного тока, симистору будет разрешено проводить просто в течение оставшегося периода этого полупериода.

И поскольку симистор активируется только на половину периода, он пропорционально снижает мощность, подаваемую на нагрузку, примерно на 50% (рис. 1).

Таким образом, количество мощности нагрузки можно контролировать на любом желаемом уровне, просто изменяя точку срабатывания симистора на форме сигнала фазы переменного тока. Так работает фазовый контроль с помощью симистора.

Применение светорегулятора

Стандартная схема светорегулятора представлена ​​на Рис. 2 ниже. В течение каждого полупериода переменного тока конденсатор 0,1 мкФ заряжается (через сопротивление управляющего потенциометра) до тех пор, пока на его выводах не будет достигнут уровень напряжения 30-32.

Примерно на этом уровне триггерный диод (диак) принудительно срабатывает, заставляя напряжение проходить через триггер через затвор симистора.

Неоновая лампа также может использоваться вместо диака для того же отклика. Время, затрачиваемое конденсатором 0,1 мкФ на зарядку до порога срабатывания диака, зависит от настройки сопротивления управляющего потенциометра.

Теперь предположим, что если потенциометр настроен на нулевое сопротивление, конденсатор будет мгновенно заряжаться до уровня срабатывания диака, что, в свою очередь, приведет к тому, что конденсатор перейдет в проводимость в течение почти всего полупериода переменного тока.

С другой стороны, когда потенциометр настроен на максимальное значение сопротивления, конденсатор может заряжаться до уровня зажигания только до тех пор, пока полупериод почти не достигнет своей конечной точки. Это позволит симистору

проводить только очень короткое время, пока сигнал переменного тока проходит через конец полупериода.

Несмотря на то, что схема диммера, показанная выше, действительно проста и не требует больших затрат, она имеет одно существенное ограничение – она ​​не позволяет плавно регулировать мощность нагрузки от нуля до максимума.

Когда мы вращаем потенциометр, мы можем обнаружить, что ток нагрузки довольно резко возрастает от нуля до некоторых более высоких уровней, из которых только тогда можно было бы плавно управлять на более высоких или низких уровнях.

В случае кратковременного отключения питания переменного тока и снижения яркости лампы ниже этого «скачка» (гистерезиса), лампа остается выключенной даже после окончательного восстановления питания.

Как уменьшить гистерезис

Этот эффект гистерезиса можно было бы существенно снизить, реализовав конструкцию, показанную в схеме на рис. 3 ниже.

Исправление: Замените 100 мкФ на 100 мкГн для катушки ВЧ-помех.

Эта схема отлично работает в качестве диммера домашнего освещения. Все части могут быть установлены в задней части настенного распределительного щита, и в случае, если нагрузка окажется ниже 200 Вт, симистор может работать независимо от радиатора.

Практически 100% отсутствие гистерезиса необходимо для диммеров, используемых в оркестровых выступлениях и театрах, чтобы обеспечить постоянное управление освещением ламп.Эта функция может быть реализована при работе со схемой, показанной на рис. 4 ниже.

Исправление: Замените 100 мкФ на 100 мкГн для катушки ВЧ-помех.

Выбор мощности симистора

Лампы накаливания потребляют невероятно большой ток в течение периода, когда нить накала достигает своих рабочих температур. Этот импульсный ток при включении может превышать номинальный ток симистора примерно в 10–12 раз.

К счастью, бытовые лампочки могут достичь своей рабочей температуры всего за пару циклов переменного тока, и этот короткий период высокого тока легко поглощается симистором без каких-либо проблем.

Однако ситуация может быть иной для сценариев театрального освещения, в которых лампам большей мощности требуется гораздо больше времени для достижения своей рабочей температуры. Для такого типа приложений симистор должен иметь номинальную нагрузку как минимум в 5 раз превышающую типичную максимальную нагрузку.

Колебания напряжения в схемах управления фазой симистора

Каждая из схем управления фазой симистора, показанных до сих пор, зависит от напряжения, то есть их выходное напряжение изменяется в ответ на изменения входного напряжения питания.Эта зависимость от напряжения может быть устранена с помощью стабилитрона, который может стабилизировать и поддерживать постоянным напряжение на синхронизирующем конденсаторе (рис. 4).

Эта установка помогает поддерживать практически постоянный выход независимо от любых значительных колебаний входного напряжения сети переменного тока. Его регулярно используют в фотографических и других сферах, где очень важен стабильный и фиксированный уровень света.

Управление люминесцентными лампами

Ссылаясь на все схемы управления фазой, описанные до сих пор, лампами накаливания можно было управлять без каких-либо дополнительных изменений существующей системы домашнего освещения.

Регулировка яркости люминесцентных ламп также возможна благодаря такому типу управления фазой симистора. Когда внешняя температура галогенной лампы опускается ниже 2500 градусов C, цикл регенерации галогена перестает работать.

Это может привести к осаждению вольфрамовой нити накала на стенке лампы, сокращению срока службы нити и ограничению прохождения света через стекло. Регулировка, которая часто используется вместе с некоторыми из рассмотренных выше схем, показана на рис. 5

Эта установка включает лампы, когда наступает темнота, и выключает их снова на рассвете. Фотоэлемент должен видеть окружающий свет, но быть защищенным от регулируемой лампы.

Управление скоростью двигателя

Управление фазой симистора также позволяет регулировать скорость электродвигателей. Обычным типом двигателя с последовательной обмоткой можно управлять с помощью схем, очень похожих на те, что используются для регулировки яркости света.

Однако, чтобы гарантировать надежную коммутацию, конденсатор и последовательное сопротивление необходимо подключить параллельно через симистор (рис.6).

Благодаря этой настройке скорость двигателя может изменяться в зависимости от изменений нагрузки и напряжения питания,

Однако для приложений, которые не являются критическими (например, управление скоростью вентилятора), в которых нагрузка фиксирована на любой заданной скорости , схема не потребует никаких изменений.

Скорость двигателя, которая обычно при предварительном программировании остается постоянной даже при изменении условий нагрузки, оказывается полезной характеристикой для электроинструментов, лабораторных мешалок, гончарных кругов часовых мастеров и т. Д.Для достижения этой функции «измерения нагрузки» в полуволновую схему обычно включают тиристор (рис. 7).

Схема работает довольно хорошо в ограниченном диапазоне скоростей двигателя, хотя может быть уязвима для «икоты» на низких скоростях, а правило полуволновой работы запрещает стабилизированную работу намного выше диапазона скоростей 50%. Схема управления фазой с измерением нагрузки, в которой симистор обеспечивает управление от нуля до максимума, показана на рис. 8.

Управление скоростью асинхронного двигателя

Скорость асинхронного двигателя также можно контролировать с помощью симистора, хотя вы можете столкнуться с некоторыми трудностями, в частности если задействованы двигатели с двухфазным или конденсаторным пуском.Обычно асинхронные двигатели могут управляться от полной до половинной скорости, при условии, что они не загружены на 100%.

Температура двигателя может использоваться как довольно надежный эталон. Температура никогда не должна выходить за рамки спецификаций производителя при любой скорости.

Опять же, может быть применена улучшенная схема регулятора освещенности, показанная на рис. 6 выше, однако нагрузка должна быть подключена в другом месте, как показано пунктирными линиями.

Изменение напряжения трансформатора с помощью управления фазой

Схема установлена объясненное выше, может также использоваться для регулирования напряжения внутри обмотки первичной стороны трансформатора, тем самым получая вторичный выходной сигнал с переменной скоростью.

Эта конструкция применялась в различных контроллерах ламп микроскопов. Переменная установка нуля была обеспечена заменой резистора 47 кОм на потенциометр 100 кОм.

Управление нагревательными нагрузками

Различные схемы управления фазой симистора, обсуждавшиеся до сих пор, могут применяться для управления нагрузкой типа нагревателя, хотя контролируемая температура нагрузки может изменяться с изменениями входного переменного напряжения и окружающей температуры. Схема, компенсирующая такие изменяющиеся параметры, показана на рис. 10.

Гипотетически эта схема могла бы поддерживать температуру, стабилизированную в пределах 1% от заданной точки, независимо от изменений напряжения сети переменного тока на +/- 10%. Точная общая производительность может определяться структурой и дизайном системы, в которой применяется контроллер.

Эта схема обеспечивает относительное управление, что означает, что общая мощность подается на нагревательную нагрузку, когда нагрузка начинает нагреваться, затем в какой-то промежуточной точке мощность снижается с помощью меры, пропорциональной разнице между фактическими значениями. температура груза и предполагаемая температура груза.

Пропорциональный диапазон изменяется с помощью регулятора «усиления». Схема проста, но эффективна, однако имеет один существенный недостаток, который ограничивает ее использование в основном более легкими нагрузками. Эта проблема касается излучения сильных радиопомех из-за прерывания фазы симистора.

Радиочастотные помехи в системах контроля фазы

Все симисторные устройства контроля фазы вырабатывают огромное количество радиочастотных помех (радиочастотные помехи или радиопомехи). В основном это происходит на низких и средних частотах.

Радиочастотное излучение сильно улавливается всеми ближайшими средневолновыми радиоприемниками и даже звуковым оборудованием и усилителями, создавая раздражающий громкий звонкий звук.

Этот RFI может также повлиять на оборудование исследовательских лабораторий, особенно на pH-метры, что приведет к непредсказуемой работе компьютеров и других подобных чувствительных электронных устройств.

Возможным средством уменьшения радиопомех является добавление радиочастотного индуктора последовательно с линией питания (обозначенной в схемах как L1).Дроссель подходящего размера можно построить, намотав от 40 до 50 витков суперэмалированной медной проволоки на небольшой ферритовый стержень или любой ферритовый сердечник.

Это может привести к индуктивности прибл. 100 мкГн, в значительной степени подавляющие колебания радиопомех. Для повышенного подавления может быть важным максимально увеличить количество витков до максимально возможного значения или индуктивности до 5 Гн.

Недостаток ВЧ-дросселя

Недостаток схемы управления фазой симистора на основе ВЧ-катушки заключается в том, что мощность нагрузки следует учитывать в соответствии с толщиной дроссельного провода.Поскольку нагрузка должна быть в киловаттном диапазоне, тогда провод ВЧ дросселя должен быть достаточно толстым, что приведет к значительному увеличению размера катушки и ее громоздкости.

Радиочастотный шум пропорционален мощности нагрузки, поэтому более высокие нагрузки могут вызвать более высокое радиочастотное излучение, требующее более совершенной схемы подавления.

Эта проблема может быть не такой серьезной для индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, поскольку в таких случаях обмотка нагрузки сама ослабляет радиопомехи. Управление фазой симистора также связано с дополнительной проблемой – это коэффициент мощности нагрузки.

Коэффициент мощности нагрузки может иметь отрицательное влияние, и это проблема, к которой регуляторы источника питания относятся очень серьезно.

Контроллер фазы переменного тока с использованием TRIAC

Введение

Контроллеры переменного напряжения ( контроллеры линейного напряжения переменного тока ) используются для изменения среднеквадратичного значения переменного напряжения, подаваемого в цепь нагрузки, путем введения тиристоров между нагрузкой и постоянной величиной. источник напряжения переменного тока. Среднеквадратичное значение переменного напряжения, приложенного к цепи нагрузки, регулируется путем управления углом срабатывания тиристоров в схемах контроллера переменного напряжения.

Вкратце, контроллер напряжения переменного тока – это тип тиристорного преобразователя мощности, который используется для преобразования входного источника переменного тока с фиксированным напряжением и частотой для получения переменного выходного напряжения переменного напряжения. Среднеквадратичное значение выходного напряжения переменного тока и поток мощности переменного тока к нагрузке регулируются путем изменения (регулировки) угла срабатывания «α»

Рисунок 1. Блок-схема контроллера напряжения переменного тока

Существуют два различных Типы тиристорного управления, используемые на практике для управления потоком мощности переменного тока

☞Управление включением-выключением

☞Управление фазой

Это два метода управления выходным напряжением переменного тока.В методе двухпозиционного управления тиристоры используются в качестве переключателей для подключения цепи нагрузки к источнику переменного тока на несколько циклов входного источника переменного тока, а затем для его отключения на несколько циклов входа. Таким образом, тиристоры действуют как высокоскоростной контактор (или высокоскоростной переключатель переменного тока).

УПРАВЛЕНИЕ ФАЗОЙ

При управлении фазой тиристоры используются в качестве переключателей для подключения цепи нагрузки к входному источнику переменного тока для части каждого входного цикла. То есть напряжение питания переменного тока прерывается с помощью тиристоров в течение части каждого входного цикла.

Тиристорный переключатель включается на часть каждого полупериода, так что входное напряжение питания появляется на нагрузке, а затем выключается в течение оставшейся части входного полупериода для отключения источника переменного тока от нагрузки.

Управляя фазовым углом или углом срабатывания ‘’ (угол задержки), можно управлять среднеквадратичным выходным напряжением на нагрузке.

Угол задержки запуска ‘α’ определяется как фазовый угол (значение t), при котором тиристор включается и начинает течь ток нагрузки.

Тиристорные контроллеры переменного напряжения используют коммутацию линии переменного тока или фазу переменного тока. Тиристоры в контроллерах переменного напряжения имеют линейную коммутацию (фазовую коммутацию), поскольку входное питание – переменное. Когда входное переменное напряжение меняется на противоположное и становится отрицательным в течение отрицательного полупериода, ток, протекающий через проводящий тиристор, уменьшается и падает до нуля. Таким образом, тиристор включения естественным образом отключается, когда ток устройства падает до нуля.

Тиристоры с фазовым регулированием, которые являются относительно недорогими, обычно используются тиристоры преобразовательного класса, которые медленнее, чем тиристоры инверторного класса с быстрым переключением.

Для приложений с частотой до 400 Гц, если доступны симисторы, соответствующие номинальным значениям напряжения и тока конкретного приложения, чаще используются симисторы.

Благодаря коммутации линии переменного тока или естественной коммутации нет необходимости в дополнительных схемах или компонентах коммутации, а схемы для контроллеров напряжения переменного тока очень просты.

Из-за характера выходных сигналов, анализа и вывода выражений для рабочих параметров непросто, особенно для фазоуправляемых контроллеров переменного напряжения с нагрузкой RL.Но, однако, большинство практических нагрузок относятся к типу RL, и, следовательно, нагрузку RL следует учитывать при анализе и проектировании схем контроллера переменного напряжения.

Контроллеры переменного напряжения подразделяются на два типа в зависимости от типа входного источника переменного тока, подаваемого в цепь.

☞ Однофазные контроллеры переменного тока.

☞ Трехфазные контроллеры переменного тока.

Однофазные контроллеры переменного тока работают с однофазным напряжением питания переменного тока 230 В RMS при 50 Гц в нашей стране.Трехфазные контроллеры переменного тока работают от трехфазного источника переменного тока напряжением 400 В (среднеквадратичное значение) при частоте питания 50 Гц.

☞Управление освещением в цепях переменного тока.

☞Индукционный нагрев.

☞Промышленное отопление и бытовое отопление.

☞Переключение ответвлений трансформаторов (переключение ответвлений трансформатора нагрузки).

☞Управление скоростью асинхронных двигателей (управление однофазными и многофазными асинхронными двигателями переменного тока).

☞ Магнитное управление переменного тока.

Лабораторный эксперимент

Цель

Для управления напряжением нагрузки переменного тока с помощью метода фазового управления с помощью TRIAC .

Необходимое оборудование

☞Тренировочный комплект – регулятор напряжения переменного тока -1 №

☞ Патч-корды – достаточное количество

☞Нагрузка a. Нагрузка лампы 100 Вт (или) Внешний реостат – 200 Ом / 2 А b. 120 мГн / 2 А

☞CRO – 1 №

☞10: 1 Датчик CRO – 1 №

Принципиальная схема

Однофазный полностью управляемый преобразователь переменного тока с R-нагрузкой

Мнемосхема

Процедура

CRO Настройки

☞Убедитесь, что источник питания 230 В соответствует тестеру.

☞Убедитесь, что CRO работает правильно с проверкой датчика и правильной осью линии заземления.

Шаги эксперимента

☞Подключения выполняются согласно приведенной выше принципиальной схеме.

☞R Нагрузка должна быть лампочкой 60 Вт или реостатом на 200 Ом / 2 А. Нагрузка составляет 120 мГн / 2 А.

☞Если нагрузка – реостат, то он должен быть в максимальном положении.

☞ Включите SW2 для запуска импульса.

☞Включите SW1 и наблюдайте за формой сигнала на нагрузке.

☞Измерьте временной интервал по оси X: время включения напряжения нагрузки и время выключения напряжения нагрузки.

☞ Отрегулируйте значение угла открытия и запишите напряжение и ток нагрузки.

☞ Повторите шаг 6.

☞ Повторите эксперимент для других значений  и запишите Vo.

Примечание. При неправильном подключении комплект будет поврежден. Выключайте комплект, когда он не используется.

Модель Форма волны

Наблюдение

S.NO	Время выключения (мс)	Время включения (мс)	Альфа (α в градусах)	Vo (В)
1	4	6	72	66
2
3						4
5

Расчет модели

Модель Общий период

Выходное напряжение

Выходное напряжение

Выходное напряжение & Diacs

• Изучив этот раздел, вы сможете:
• Описание управления фазой в схемах симистора:
• Описание гистерезиса в основных цепях управления симистором:
• Узнайте, как можно минимизировать гистерезис в схемах симистора:
• Общие сведения о схемах на основе таймеров для срабатывания чувствительных затворных симисторов.

Базовая схема диммера диак-симистора

Базовая схема управления мощностью, использующая симистор и диак, показана на рис. 6.4.1. Конденсатор C1 заряжается через переменное сопротивление, состоящее из R1 и R2, в положительном или отрицательном направлении попеременно входным напряжением переменного тока. Импульсы тока, создаваемые диакритическим сигналом каждый раз, когда напряжение конденсатора (V _C ) достигает либо положительного, либо отрицательного разрыва потенциала диака (+/- V _BO ), используются для запуска симистора.Время (или фазовый угол), в которое это происходит, будет зависеть от того, как быстро заряжается напряжение на зарядном конденсаторе C1 на рис. 6.4.1. Это управляется переменным резистором R2 и создает переменный метод «управления фазой», аналогичный тому, который описан в модуле SCR 6.2 для запуска SCR. Форма волны переменного тока в сети эффективно задерживается или сдвигается по фазе RC-цепью, так что диак запускается разрядом тока из конденсатора C1 в затвор симистора. Затем симистор работает в течение оставшейся части полупериода сетевого питания, а когда сетевое напряжение проходит через ноль, он отключается.Через некоторое время в следующем (отрицательном) полупериоде напряжение на C1 достигает напряжения разрыва в противоположной полярности, и диак снова проводит ток, обеспечивая соответствующий запускающий импульс для включения симистора. Изменяя точку на форме сигнала, в которой таким образом срабатывает симистор, можно изменять количество мощности, подаваемой на нагрузку.

Рис. 6.4.1 Базовая цепь управления фазой симистора

Контроль фазового сдвига

Используя базовую конструкцию, подобную показанной на рис.4.1, регулировка выходной мощности возможна путем изменения величины фазового сдвига, производимого RC-цепью фазового сдвига R (содержащей R1 и R2) и C1. По мере регулировки R2 общее сопротивление (R) будет варьироваться от 3,3 кОм, когда R2 находится на нулевом сопротивлении, и 253,3 кОм, когда R2 имеет максимальное сопротивление и дает фазовый сдвиг почти на 90 °.

Значение C1 выбрано таким образом, чтобы, когда он заряжен, по крайней мере, до максимального напряжения отключения диака (V _BO ), он мог подавать ток, достаточный для того, чтобы диак запускал симистор, не будучи полностью разряженным.Однако по мере того, как фазовый сдвиг формы волны переменного тока через C1 увеличивается до 90 °, амплитуда сдвинутой по фазе волны будет уменьшаться (как можно увидеть, сравнивая рисунки 6.4.2 и 6.4.3), но ее минимальная амплитуда должна по-прежнему равняется или больше V _BO .

Значение R1 выбрано так, чтобы дать только несколько градусов фазового сдвига, когда R2 настроено на ноль Ом, а максимальное значение R2 выбрано таким образом, чтобы вместе с R1 величина производимого фазового сдвига была как можно ближе к 90 °. насколько это возможно, не позволяя размаху напряжения формы волны V _C упасть ниже + V _BO и -V _BO .

Максимальная мощность (R

₂ при минимальном сопротивлении)

Рис.

6.4.2 Осциллограммы при минимальном сопротивлении

(наведите указатель мыши или коснитесь, чтобы отобразить форму выходного сигнала)

Рис. 6.4.2 Осциллограммы при минимальном сопротивлении

Типичные формы сигналов для цепи управления фазой симистора на рис. 6.4.1 показаны на рис. 6.4.2 и 6.4.3. На рисунке 6.4.2 показано напряжение питания (V _S ) и сдвинутое по фазе напряжение (V _C ), возникающие на конденсаторе C1, когда резистор R2 установлен на минимальное сопротивление.Обратите внимание, что разница между V _S и V _C очень мала. Синий сигнал (V _C ) имеет примерно такую ​​же амплитуду, что и V _S (показан зеленым), а фазовый сдвиг не намного превышает 0 °. Наведите указатель мыши на рис. 6.4.2 (или «прикоснитесь» к сенсорному экрану), чтобы увидеть влияние на выходной сигнал.

Форма выходного сигнала симистора (пурпурный) показывает, что симистор запускается в начале положительного полупериода в точке, где V _C = + V _BO (перенапряжение положительного разрыва диак. ), Которое будет примерно + 30 В. , в зависимости от используемого диака.В этот момент конденсатор C будет разряжать ток в диак, вызывая положительный пусковой импульс на затворе симистора. Симистор включается, и тогда форма выходного сигнала практически идентична напряжению питания V _S (за исключением очень небольшого падения напряжения на симисторе) до тех пор, пока V _S не вернется к 0 В в конце положительного полупериода, когда, поскольку ток через симистор теперь меньше, чем ток удержания симистора, симистор отключается.

Через некоторое время симистор снова включается, когда V _C = -V _BO (диак. Отрицательное перенапряжение прерывания) примерно при -30 В, C разряжает ток в диак, и симистор снова включается.В результате форма выходного сигнала практически такая же, как и форма входного сигнала, за исключением двух коротких периодов времени примерно в то время, когда форма сигнала проходит через нулевое напряжение. Таким образом, к нагрузке прилагается максимальная мощность, которая будет неотличима от приложения к нагрузке полного сетевого (линейного) потенциала.

Минимальная мощность (R

₂ при максимальном сопротивлении)

Рис. 6.4.3 Осциллограммы при максимальном сопротивлении

(наведите указатель мыши или коснитесь, чтобы отобразить форму выходного сигнала)

Фиг.6.4.3 Формы сигналов при максимальном сопротивлении

На рис. 6.4.3 показаны формы сигналов управления фазой, относящиеся к рис. 6.4.1, с R2 при максимальном сопротивлении (250 кОм). Здесь RC-цепь (R1 + R2) C вызвала фазовый сдвиг почти на 90 °, но уменьшила амплитуду Vc, так что ее все еще достаточно, чтобы заставить пики волны достичь V _BO , чтобы симистор мог все еще будет срабатывать. Глядя на выходную волну (наведите курсор мыши или коснитесь рис. 6.4.3) можно увидеть, что, когда напряжение конденсатора V _C совпадает с -V _BO близко к концу отрицательного полупериода V _S срабатывает симистор, и выходное напряжение симистора принимает мгновенное значение V _S . Поскольку напряжение V _S уже близко к нулю, симистор снова отключается, когда его ток падает ниже удерживающего тока (I _H ) до нуля. Симистор остается в выключенном состоянии до тех пор, пока он не сработает еще раз, поскольку V _C совпадает с + V _BO , поэтому запускается еще один очень короткий, но на этот раз положительный импульс в конце положительного полупериода. Таким образом, выход симистора находится в минимальном состоянии.

Рис 6.4.4. Устранение гистерезиса симисторных диммеров

Проблемы гистерезиса

Однако существует проблема с этой базовой схемой запуска, хотя она широко используется во многих диммерах домашних ламп.Проблема возникает из-за того, что, когда C1 частично разряжается в диак, на C1 остается некоторый заряд, а когда V _S проходит через ноль и начинает заряжать C1 с противоположной полярностью, этот оставшийся заряд будет препятствовать накоплению противоположного заряда. полярность заряда на С1. Поэтому запуск в течение следующего полупериода будет отложен, что приведет к неравным углам проводимости, особенно во время начальных циклов включения сигнала сети. Этот эффект гистерезиса вызывает разницу между величиной проводимости, возникающей в положительном и отрицательном полупериодах, что также означает, что волна переменного тока на выходе симистора не будет центрирована на нулевом напряжении, но будет эффективно иметь изменяющуюся и нежелательную составляющую постоянного тока.

Этот эффект гистерезиса можно исключить, используя схему из подробных указаний по применению от Littelfuse, показанную на рис. 6.4.4. Здесь конденсатор C1 полностью разряжается каждый раз, когда V _S проходит через ноль. Если заряд на верхней пластине C1 положительный, а точка X имеет нулевое напряжение, C1 разряжается до 0 В через D3 и R4. Если заряд на C1 отрицательный, когда X = 0 В, C1 будет разряжаться через D1 и R3. Когда точка X является положительной или отрицательной, C1 не может быть заряжен через D1 или D3, так как напряжения в нижней части R3 и R4 будут удерживаться в пределах примерно +/- 0. 6 В нуля из-за прямого проводящего напряжения либо D2 (во время положительного полупериода), либо D4 (во время отрицательного полупериода). Таким образом, C1 всегда заряжается через R1 и R2.

Обратите внимание, что в практических схемах управления, использующих тиристоры, симисторы и диаки, большие напряжения переключаются очень быстро. Это может вызвать серьезные радиочастотные помехи, и при проектировании схемы необходимо принять меры, чтобы минимизировать это. Кроме того, поскольку в цепи присутствует сетевое (линейное) напряжение, между низковольтными компонентами управления должна быть какая-то безопасная изоляция (например,грамм. схемы Diac и фазового сдвига) и компоненты «живого» электросети, например симистор и нагрузка. Это может быть легко достигнуто путем “оптопары” цепи управления низкого напряжения с частью цепи управления высоковольтной мощностью и / или с помощью изолирующих компонентов, таких как специально разработанные импульсные трансформаторы, как описано в модуле SCR 6. 2

Срабатывание чувствительного стробирующего симистора

Рис. 6.4.5 Срабатывание чувствительного затвора симистора

Фиг.6.4.6 Срабатывание чувствительного стробирующего симистора

Рис. 6.4.6 Видео недоступно в формате для печати

Схема на рис. 6.4.5 демонстрирует управление низковольтным диммером путем запуска чувствительного затворного симистора SN6073A в квадрантах II и III. Контроль достигается практически на 180 ° как положительных, так и отрицательных полупериодов волны, как показано на видео рис. 6.4.6. и осциллограммы схемы на рис. 6.4.7.

На рис. 6.4.5 используется вариант низковольтного запуска, продемонстрированный для запуска тиристора в тиристорном модуле 6.2, но на этот раз управляя чувствительным затворным симистором, который запускается от аналоговой схемы низкого напряжения, содержащей транзисторный детектор перехода через ноль (Tr1), который отключается каждый раз, когда форма сигнала A падает близко к 0 В, создавая серию положительных импульсов на его коллекторе. (форма волны B), совпадающая с точками пересечения нуля волны переменного тока. Эти импульсы затем инвертируются инвертирующим усилителем (Tr2) для создания отрицательных синхронизирующих импульсов (форма сигнала C), которые используются для запуска моностабильного устройства с переменной задержкой (таймер 555 IC1) для создания прямоугольных импульсов переменной ширины, имеющих ширину (и, следовательно, временную задержку). контролируется VR1.Прямоугольные импульсы, создаваемые IC2, обрабатываются дифференциатором C5 / R8 для получения узких положительных и отрицательных импульсов (форма сигнала D). Эти импульсы усиливаются усилителем тока (эмиттерным повторителем) Tr3, а нежелательная положительная часть формы сигнала удаляется D2. Результирующие отрицательные импульсы управляют затвором симистора через изолирующий импульсный трансформатор T2 (форма сигнала E). Вся цепь триггера питается от источника 12 В переменного тока, полученного от разделительного трансформатора T1. Мостовой выпрямитель BR1 подает полуволновую форму волны 100 Гц для детектора кроссовера нуля и стабилизированное питание 5 В постоянного тока через D1 и IC1, устраняя необходимость во втором низковольтном источнике постоянного тока. На рис. 6.4.7 также показаны формы выходных сигналов симистора при максимальной мощности (F) и минимальной мощности (G).

7.6: TRIAC – Workforce LibreTexts

SCR – это однонаправленные (односторонние) устройства тока, что делает их полезными только для управления постоянным током. Если два тиристора соединены последовательно параллельно, так же, как два диода Шокли были соединены вместе, чтобы сформировать DIAC, у нас есть новое устройство, известное как TRIAC : (рисунок ниже)

Эквивалент TRIAC SCR и условное обозначение TRIAC

Поскольку отдельные тиристоры более гибкие для использования в современных системах управления, они чаще встречаются в схемах, таких как моторные приводы; TRIAC обычно используются в простых приложениях с низким энергопотреблением, например, в бытовых диммерных переключателях.На рисунке ниже показана простая схема регулятора яркости лампы вместе с цепью фазосдвигающего резистора-конденсатора, необходимой для срабатывания после пика.

TRIAC фазорегулятор мощности

TRIAC печально известны тем, что не запускают симметрично . Это означает, что они обычно не срабатывают при точно таком же уровне напряжения затвора для одной полярности, что и для другой. Вообще говоря, это нежелательно, потому что несимметричное включение приводит к форме волны тока с большим разнообразием гармонических частот.Формы сигналов, симметричные выше и ниже их средних осевых линий, состоят только из гармоник с нечетными номерами. С другой стороны, несимметричные сигналы содержат гармоники с четными номерами (которые могут сопровождаться или не сопровождаться гармониками с нечетными номерами).

В интересах уменьшения общего содержания гармоник в энергосистемах, чем меньше и менее разнообразны гармоники, тем лучше – это еще одна причина, по которой отдельные тиристоры предпочитают триАК для сложных мощных цепей управления.Один из способов сделать форму сигнала тока TRIAC более симметричным – это использовать устройство, внешнее по отношению к TRIAC, для синхронизации запускающего импульса. DIAC, размещенный последовательно с воротами, отлично справляется с этой задачей: (Рисунок ниже)

DIAC улучшает симметрию управления

Напряжение переключения

DIAC имеет тенденцию быть гораздо более симметричным (одинаковым в одной полярности, чем в другой), чем пороговые значения напряжения срабатывания TRIAC. Поскольку DIAC предотвращает любой ток затвора до тех пор, пока напряжение запуска не достигнет определенного повторяемого уровня в любом направлении, точка срабатывания TRIAC от одного полупериода к следующему имеет тенденцию быть более согласованной, а форма волны более симметричной сверху и снизу. его осевая линия.

Практически все характеристики и рейтинги SCR в равной степени применимы к TRIAC, за исключением того, что TRIAC, конечно, двунаправленные (могут обрабатывать ток в обоих направлениях). Больше нечего сказать об этом устройстве, за исключением важной оговорки, касающейся обозначений клемм.

Судя по эквивалентной схеме, показанной ранее, можно подумать, что главные клеммы 1 и 2 взаимозаменяемы. Это не так! Хотя полезно представить TRIAC как состоящий из двух SCR, соединенных вместе, на самом деле он построен из единого куска полупроводникового материала, должным образом легированного и многослойного.Фактические рабочие характеристики могут незначительно отличаться от аналогичной модели.

Это становится наиболее очевидным при сравнении двух простых схемотехнических решений, одна из которых работает, а другая – нет. Следующие две схемы представляют собой вариант схемы диммера лампы, показанной ранее, фазосдвигающий конденсатор и DIAC удалены для простоты. Хотя полученная схема лишена возможности точного управления более сложной версией (с конденсатором и DIAC), она выполняет функцию : (рисунок ниже)

Эта схема с выходом на MT ₂ действительно работает.

Предположим, мы поменяли местами два основных терминала TRIAC. Согласно эквивалентной схеме, показанной ранее в этом разделе, замена не должна иметь никакого значения. Схема должна работать: (рисунок ниже)

При переключении ворот на MT ₁ эта схема не работает.

Однако, если эта схема будет построена, обнаружится, что она не работает! Нагрузка не получит питания, симистор вообще не сработает, независимо от того, насколько низкое или высокое значение сопротивления установлено на управляющем резисторе.Ключ к успешному запуску TRIAC – убедиться, что затвор получает ток срабатывания от основной клеммы 2 стороны схемы (основной клеммы на противоположной стороне символа TRIAC от клеммы затвора). Идентификация терминалов MT ₁ и MT ₂ должна выполняться по номеру детали TRIAC со ссылкой на технический паспорт или книгу.

Обзор

• A TRIAC действует так же, как два тиристора, соединенных спина к спине для двунаправленной работы (переменного тока).
Элементы управления
• TRIAC чаще встречаются в простых схемах с низким энергопотреблением, чем в сложных схемах большой мощности. В схемах управления большой мощностью, как правило, предпочтение отдается нескольким тиристорам.
• При использовании для управления подачей переменного тока на нагрузку, TRIAC часто сопровождается DIAC, соединенным последовательно с их клеммами затвора. DIAC помогает TRIAC стрелять более симметрично (более последовательно от одной полярности к другой).
• Главные клеммы 1 и 2 на TRIAC не являются взаимозаменяемыми.
• Для успешного срабатывания симистора ток затвора должен поступать со стороны главной клеммы 2 (MT ₂ ) цепи!

Узнать | OpenEnergyMonitor

Управление фазой: Максимальная мощность подается на нагрузку, когда симистор работает в течение всего каждого полупериода. Мощность непрерывно (но не линейно) снижается до нуля, когда симистор вообще не проводит. *

Burst Fire: Максимальная мощность передается на нагрузку, когда симистор работает в каждом цикле. По мере того, как проводится меньшее количество циклов, средняя мощность падает ступенчато (в данном случае на 20%). *

Срабатывание (срабатывание) симистора

Для этой задачи существует ряд ИС, которые не только генерируют соответствующий сигнал, но также обеспечивают изоляцию между сетью и управляющей электроникой. Двумя примерами являются MOC3021 для управления фазой и MOC3041 для импульсной стрельбы, как от Fairchild, так и от других производителей.

Драйвер случайной фазы MOC3021 I.C.

Как всегда, технический паспорт дает полную информацию, принципиальную схему приложения, и рекомендуется точно следовать ей.Что касается процессора Arduino, то драйвер очень похож на обычный светодиод. Для ограничения тока требуется последовательный резистор, и его значение можно рассчитать обычным способом, зная мощность привода цифрового выходного вывода Arduino, напряжение, падающее на светодиод, и требуемый ток. Эскиз программного обеспечения должен обеспечивать достаточно длинный импульс в нужный момент в каждом полупериоде, чтобы симистор включался в нужное время.

Драйвер оптоизолятора MOC3041 с нулевым крестом I.С.

Опять же, технический паспорт дает полную информацию, принципиальную схему приложения, и рекомендуется точно следовать ей. Опять же, Arduino видит устройство как светодиод, и резистор рассчитывается таким же образом. Однако он отличается от MOC3021 тем, что содержит схему детектора перехода через ноль. Во время работы триггер «активируется», посылая ему сигнал «включения» в течение предыдущего полупериода, особенно после того, как напряжение поднимается выше 20 В («Запрещающее напряжение» в таблице данных).Теперь программное обеспечение должно смотреть вперед и запускать триггер перехода через ноль через некоторое время после начала предыдущего полупериода. Чтобы исправление не происходило, сигнал «включения» остается включенным до соответствующей точки на один цикл позже, после чего он либо выключается, либо остается включенным, если необходимо.

Падение или мерцание

Любой источник электроэнергии имеет конечный импеданс, свойство кабелей, трансформаторов, распределительного устройства и, в конечном итоге, даже генераторов, составляющих систему. И, как любое полное сопротивление, когда вы потребляете ток, на нем появляется напряжение, которое вызывает падение напряжения питания. Величина провалов напряжения обычно выражается в процентах от нормального напряжения.

Если у вас есть собственное электроснабжение, оно находится под вашим контролем, но в целом это не так, и вы разделяете электроснабжение с кем угодно, от горстки до многих десятков, возможно, сотен соседей. Поэтому каждый раз, когда вы включаете нагрузку, напряжение у всех будет падать и восстанавливаться при выключении нагрузки.Если это происходит неоднократно и часто, это называется мерцанием. Лампы накаливания очень чувствительны к изменению напряжения, световой поток примерно пропорционален V ^3,4 , поэтому существуют строгие ограничения, которые определяют максимально допустимое изменение напряжения, которое связано с тем, как часто происходят изменения. [См. Справку] Мерцание – проблема для контроллеров огня очередями.

Гармоники и RFI

Каждый раз, когда симистор включает электрическую цепь, и если предположить, что на симисторе есть напряжение, ток нагрузки возрастает от нуля до некоторого значения за очень короткое время. Величина и скорость изменения определяются нагрузкой, и в случае чистого (или почти такого) сопротивления скорость изменения может быть очень высокой. Результирующий «край» генерирует широкий спектр шума, который может легко распространяться в радиодиапазоны и мешать работе расположенного поблизости электронного оборудования, если не используется надлежащая фильтрация.

В то же время процесс прерывания синусоидальной волны также генерирует гармоники линейной частоты. Если волна прерывается симметрично, будут присутствовать только нечетные гармоники.(Вы можете легко проиллюстрировать обратное в электронной таблице: построите синусоидальную волну, затем добавьте третью гармонику с амплитудой ¹ / ₃ -ю, пятую гармонику с ¹ / ₅ -ю амплитуду и и т. д. В итоге получается прямоугольная волна.)

Опять же, из-за конечного сопротивления источника питания нагрузка, потребляющая гармонические токи, вызовет искажение волны напряжения, а это, в свою очередь, вызовет токи на этих гармониках в каждой другой нагрузке, подключенной к системе. Это может вызвать нежелательный нагрев, и, опять же, существуют строгие ограничения на величину тока, который может потребляться при любой данной гармонике. В общем, должен быть включен фильтр, который уменьшит как радиочастотные помехи, так и гармоники, которые вводятся в источник питания. [См. Ссылку]

Гармоники представляют собой серьезную проблему для контроллеров фазового угла и для контроллеров с импульсным возбуждением, если точка переключения значительно смещается от точки перехода через ноль.

Справочные документы и спецификации

Драйвер MOC3021 http: // www.fairchildsemi.com/an/AN/AN-3003.pdf

Драйвер MOC3041 http://www.fairchildsemi.com/ds/MO/MOC3041M.pdf

Гармоники и мерцание – низкочастотная часть спектра электромагнитной совместимости Д-р Филип Д. Слейд, Университет Эксетера

http://www.compliance-club.com/archive/old_archive/9.html

Принципиальная схема управления TRIAC

| Цепь переключения нулевой точки TRIAC

Схема цепи управления TRIAC:

Схема управления TRIAC, позволяющая регулировать фазу примерно на 180 °, показана на рис. 19-27 (а). Осциллограммы на рис. 19-27 (b) иллюстрируют работу схемы. Когда TRIAC (Q ₁ ) выключен в начале положительного полупериода напряжения питания, конденсатор C ₁ заряжается положительно через резисторы R ₁ и R ₂ , как показано. Когда V _C1 достигает напряжения переключения DIAC плюс напряжение срабатывания затвора Q ₁ , D ₁ проводит ток затвора, чтобы запустить Q ₁ . C ₁ разряжается до тех пор, пока разрядный ток не упадет ниже уровня удерживающего тока D ₁ .Схема управления TRIAC отключается в конце положительного полупериода питания, а затем процесс повторяется в течение отрицательного полупериода питания. Скорость заряда C ₁ устанавливается переменным резистором R ₁ , так что угол проводимости Q ₁ регулируется регулировкой R ₁ .

TRIAC Цепь переключения нулевой точки:

Схема переключения нулевой точки TRIAC, показанная на рис. 19-28 (a), формирует форму сигнала нагрузки, аналогичную форме сигнала для цепи нулевой точки SCR.Рассеивание мощности нагрузки регулируется путем включения симистора на несколько циклов напряжения питания и выключения на несколько циклов, при этом включение происходит только в точке пересечения нуля отрицательной полярности сигнала питания, а отключение выполняется. поместите в положительную или отрицательную нулевую точку. Q ₁ – это слаботочный тиристор, который управляет точкой переключения Q ₂ .

С переключателем S ₁ замкнут, Q ₁ включен, а прямое падение напряжения Q ₁ ниже уровня, необходимого для срабатывания Q ₂ , (V _G2 + V _D1 + V _D2 ), [см. Рис.19-28 (b)]. Таким образом, ток затвора не течет к Q ₂ , и проводимость не возникает. Q ₁ отключается, когда открывается S ₁ , так что I _G течет к Q ₂ ворот через C ₁ , R ₂ , D ₁ и D ₂ для запуска Q ₂ в проводимость, [Рис. 19-28 (c)]. При проводящем Q ₂ конденсатор C ₂ заряжается через D ₃ почти до положительного пика напряжения нагрузки [Рис. 19–28 (d)].TRIAC отключается в конце положительного полупериода. Затем заряд на C ₂ (приложенный к затвору через D ₂ ) снова запускает Q ₂ сразу после точки перехода через ноль в отрицательный полупериод. (Следует отметить, что это срабатывание четвертого квадранта.)

Первоначальное включение Q ₂ происходит только в начале положительного полупериода напряжения питания. Если S ₁ открывается во время положительного полупериода питания, Q ₁ продолжает работать до конца полупериода, таким образом удерживая Q ₂ выключенным.Если Q ₂ выключен, C ₂ остается незаряженным, поэтому он не может активировать Q ₂ во время отрицательного полупериода питания. Q _{2 Запуск} теперь происходит в начале следующего положительного цикла.

Если S ₁ размыкается во время отрицательного полупериода питания, Q ₂ не может быть запущен в проводимость, опять же из-за отсутствия заряда на C ₂ . Видно, что проводимость Q ₂ может начаться только в начале положительного полупериода напряжения питания.Кроме того, после срабатывания Q ₂ проводимость продолжается до конца цикла.

Для разработки схемы, показанной на рис. 19-28, сначала выбирается схема управления TRIAC, которая пропускает требуемый ток нагрузки и выдерживает пиковое напряжение питания. Резистор R ₂ представляет собой компонент с низким сопротивлением, рассчитанный для ограничения пикового импульсного тока на затворе Q ₂ в случае, если пиковое напряжение питания подается на схему без включения Q ₁ . Конденсатор C ₁ должен подавать ток срабатывания (I _G ) на Q ₂ в точке пересечения нуля сигнала питания, когда Q ₁ выключен. Обычно I _G2 выбирается примерно в три раза больше указанного I _{G (max)} для Q ₂ , а затем C ₁ вычисляется из простого уравнения для заряда конденсатора; С = (I x t) / ΔV. В этом случае ΔV / t можно заменить скоростью изменения напряжения питания в точке пересечения нуля, которая равна (2π f V _p ). Итак, уравнение C ₁ :

Резистор R ₁ теперь можно определить, используя выбранный ток затвора для Q ₂ (I _G2 ) в качестве пикового анодного тока для Q ₁ ; R ₁ = V _p / I _G2 .Резистор затвора Q ₁ (R ₃ ) рассчитывается на основе пускового тока Q ₁ и напряжения де истока; R ₁ = (E – V _G1 ) / I _G1 .

Ток затвора Q ₂ снова используется в вычислении R ₄ и C ₂ . Чтобы вызвать Q ₂ в начале отрицательного полупериода подачи, I _G2 должен течь из C ₂ в вентиль Q ₂ , поэтому R ₄ = V _p / I _G2 . Подходящая емкость для C ₂ теперь рассчитывается с использованием простого уравнения емкости C ₂ = (I _G2 x t) / ΔV. В этом случае время t выбрано намного большим, чем время включения Q ₂ , а ΔV составляет приблизительно 0,1 В _P .

SCR Q ₁ должен пропускать выбранный анодный ток (I _G2 ) и выдерживать пиковое напряжение питания. Каждый из диодов должен выдерживать пиковое напряжение питания и пропускать пусковой ток Q ₂ ,

Переключатель нулевого напряжения IC:

Функциональная блок-схема типичного драйвера TRIAC на интегральной схеме, известного как переключатель нулевого напряжения , показана на рис.19-29. Устройство содержит ограничитель напряжения и источник питания постоянного тока , так что оно работает напрямую от источника переменного тока к нагрузке, которую нужно контролировать. Также имеется детектор пересечения нуля, который выдает выходной импульс каждый раз, когда форма волны питания пересекает нулевой уровень. Выходной сигнал детектора перехода через ноль подается на логический элемент И, а выход логического элемента И поступает на каскад возбуждения симистора, который вырабатывает импульс тока на вентиль симистора. Усилитель с включенным выключением используется для измерения уровня напряжения от подключенного извне преобразователя; например, датчик температуры может использоваться, если нагрузка представляет собой нагреватель.Когда температура падает до заданного уровня, двухпозиционный чувствительный усилитель обеспечивает вход для логического элемента И. Импульс запуска затвора от управляющего каскада TRIAC возникает в точках перехода через нуль питания только тогда, когда температура ниже желаемого уровня.

Управление промышленным двигателем: симистор

---

ЦЕЛИ

• Нарисуйте схематический символ симистора.
• Обсудите сходства и различия между тиристорами и симисторами.
• Обсудите работу симистора в цепи переменного тока.
• Обсудите фазовый сдвиг симистора.
• Подключите симистор в цепь.
• Проверить симистор омметром.

Симистор – это переход PNPN, подключенный параллельно переходу NPNP. ИНЖИР. 1 показано полупроводниковое устройство симистора. Симистор работает аналогично двум подключенным тиристорам (фиг. 2). Схема символ симистора показан на фиг.3.

Когда тиристор подключен к цепи переменного тока, выходное напряжение прямое. Текущий. Когда симистор включен в цепь переменного тока, выходное напряжение переменный ток. Поскольку симистор работает как два SCR, которые соединенный и обращенный в противоположные стороны, он будет проводить как положительные и отрицательные полупериоды переменного тока.

Когда симистор включен в цепь переменного тока, как показано на фиг. 4, ворота должны быть подключены с той же полярностью, что и МТ2.Когда напряжение переменного тока приложенный к MT2 положительный, SCR, который смещен вперед, будет воздуховод. Когда напряжение, приложенное к MT2, отрицательное, другой SCR идет вперед. смещен и будет проводить эту половину сигнала. Поскольку одна из SCR смещен в прямом направлении на каждый полупериод, симистор будет проводить переменный ток пока вывод затвора подключен к MT2.

Симистор, как и SCR, требует определенного количества тока затвора для включи это. Как только симистор сработает затвором, он продолжит проводить до тех пор, пока ток, протекающий через MT2-MT1, не упадет ниже удержания текущий уровень.

РИС. 1 Полупроводниковая схема симистора.

РИС. 2 Симистор работает аналогично двум тиристорам с общим ворота.

РИС. 3 Условное обозначение симистора.

РИС. 4 Симистор проводит обе половины сигнала переменного тока.

Симистор, используемый в качестве переключателя переменного тока

Симистор является членом семейства тиристоров, что означает, что он имеет только два состояния работы, включено и выключено.Когда симистор выключен, он снижает полное приложенное напряжение цепи при токе 0 ампер поток.

Когда симистор включен, он имеет падение напряжения около 1 вольт, и ток в цепи должен быть ограничен нагрузкой, подключенной к цепи.

Симистор стал очень популярным в промышленных цепях в качестве переключателя переменного тока. Поскольку это тиристор, он может управлять большим количеством напряжение и ток.

Нет контактов изнашиваемых, он герметичен от грязи и влаги, и он может работать тысячи раз в секунду.Симистор используется как устройство вывода многих твердотельных реле, о которых будет рассказано позже. Два типа симисторов показаны на рисунках 5 и 6.

Симистор, используемый для управления напряжением переменного тока

Симистор может использоваться для управления Напряжение переменного тока (фиг. 7). Если переменный резистор подключен последовательно с затвором, точка, в которой ток затвора достаточно высок, чтобы огонь симистора можно регулировать. Сопротивление можно отрегулировать, чтобы разрешить симистор срабатывает, когда сигнал переменного тока достигает своего пикового значения.Это будет вызвать падение половины переменного напряжения на симисторе, а половину – до быть сброшенным через груз.

Если сопротивление затвора уменьшается, величина тока затвора, необходимая для запуск симистора будет получен до того, как форма волны переменного тока достигнет своего пика ценить. Это означает, что на симистор будет падать меньшее напряжение и на нагрузку будет падать большее напряжение. Эта схема позволяет симистор для управления только половиной подаваемого на него сигнала переменного тока.Если лампа используется в качестве нагрузки, может регулироваться от половинной яркости до полной яркость. Если предпринята попытка отрегулировать лампу для работы на меньших чем на половину яркости, он выключится.

РИС. 5 Симистор, используемый для приложений с низким энергопотреблением.

РИС. 6 Симистор в корпусе с креплением на шпильке.

Фазовый сдвиг симистора

Для получения полного контроля напряжения симистор, как и тиристор, должен быть фазным. сдвинулся.Для фазового сдвига симистора можно использовать несколько методов, но только один будут рассмотрены в этом разделе. На фиг. 8, диак используется для фазового сдвига симистор. Резисторы R1 и R2 включены последовательно с конденсатором C1. Резистор R1 – это переменный резистор, используемый для управления временем заряда конденсатора. C1. Резистор R2 используется для ограничения тока, если резистор R1 настроен на 0 Ом. Предположим, что диак, включенный последовательно с затвором симистора включится, когда конденсатор C1 будет заряжен до 15 вольт.Когда диак включается, конденсатор С1 разряжается через затвор симистора. Этот позволяет симистору сработать или включиться. Поскольку диак является двунаправленным устройство, он разрешит положительный или отрицательный импульс для срабатывания затвора. симистора.

При срабатывании симистора наблюдается падение напряжения на MT2 примерно на 1 вольт. и МТ1. Симистор остается включенным, пока напряжение переменного тока не упадет до достаточно низкого уровня. значение, чтобы позволить симистору отключиться. Поскольку схема фазового сдвига подключен параллельно симистору, после включения симистора конденсатор C1 не может начать зарядку снова, пока симистор не отключится в конце Цикл переменного тока.

Обратите внимание, что импульс, подаваемый на затвор, контролируется зарядкой конденсатора С1, а не амплитуду напряжения. Если правильные значения выбрано, симистор может быть запущен в любой точке цикла переменного тока, применяемого к Это.

Симистор теперь может управлять напряжением переменного тока от 0 до полного напряжения схема. Типичным примером схемы симистора такого типа является световая диммер используется во многих домах.

РИС. 7 Симистор контролирует половину приложенного переменного напряжения.

Тестирование симистора

Симистор можно проверить с помощью омметра (см. Процедуру 5 в Приложении). Для проверки симистора подключите выводы омметра к MT2 и MT1. Омметр должен указывать на отсутствие преемственности. Если вывод затвора коснется MT2, симистор должен включиться, а омметр должен показывать непрерывность через симистор. Когда вывод затвора отсоединен от MT2, симистор может продолжить работу. провести или он может выключиться, в зависимости от того, подает ли омметр тока, достаточного для поддержания устройства выше его текущего уровня.Этот тестирует половину симистора.

РИС. 8 Схема сдвига фаз для симистора. Когда диак включается, ворота ток подается на симистор за счет разряда конденсатора С1.