Тиристорные коммутаторы нагрузки (10 схем). Тиристорный регулятор мощности: схема, принцип работы и применение Тиристорное управление нагрузкой

♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .

За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0 .
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.

Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.

В момент фазового угла:

• α = 0° напряжения U = 0 ;
• α = 90° напряжение U = +Umax ;
• α=180° напряжение U = 0 ;
• α = 270° напряжение U = — Umax ;
• α = 360° напряжение U = 0.

♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее состояние (закрыт) .
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2 .

♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.

С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3) .
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.

♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.

фазовым методом .

♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.

Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом .
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.

Фазовый метод управления тиристором.

♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.

После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2

♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс , от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп (управляющий электрод — катод).

При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.

Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.

♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.

Проведем небольшие вычисления для примера рис.3 . Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл = 100 мА . В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА .
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1 . Для разных значений резистора R1 , будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:

1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.

Фазовый угол α изменяется в пределах от а = 10, до а = 90 градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.

♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90° .
То есть, в пределах от 90% до 50% мощности выделяемой на нагрузке.

Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).

Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С .
Если поставить конденсатор С (в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5 .

Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.

Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.

Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ ).
Мощность нагрузки будет изменяться приблизительно от 80% до 30%.

Разумеется, все приведенные расчеты весьма приблизительны, но общие рассуждения верны.

Все выше приведенные эпюры напряжений, в разные временные значения, хорошо просматривались на экране осциллографа.

У кого есть осциллограф, можно посмотреть самому

В. Крылов

В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.

На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ - открытому.

При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).

Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода - динистора.

Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод - катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.

При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.

Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.

Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.

Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 - график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.

На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К - максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр- внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.

Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.

После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.

Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.

Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.

Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.

В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.

Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе - большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.

Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста - регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.

Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.

При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.

Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.

Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.

На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.

При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.

Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.

Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:

изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),

изменением его начального уровня (2б) и

изменением величины постоянного напряжения (1а).

На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.

Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.

На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 - Д4).

Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).

При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.

Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.

Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.

Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.

В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).

Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.

Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.

На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.

В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.

Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.

Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б - по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.

Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.

Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4- R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».

В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.

1 Назначение

1.1 Блок тиристорных усилителей БТУ (далее «прибор»), выполненный на основе твердотельного полупроводникового оптоэлектронного трехфазного реле, предназначен для коммутации одно- или трехфазного напряжения, поступающего на электропривод исполнительного механизма.

Дискретные входы прибора «Открыть», «Закрыть» и «Блокировка», обеспечивающие управление, предназначены для работы со схемами, состоящими из «сухих контактов», и не требуют дополнительных источников питания.

Прибор имеет дискретный выход индикации перегрузки по току в виде нормально разомкнутого «сухого контакта».

Прибор выполняет контроль за током потребления электропривода по фазам В и С. При возникновении аварийных ситуаций, а также снятии питания со схемы защиты, силовые цепи размыкаются электромагнитным реле, включенным до полупроводникового реле.

1.2 Условия эксплуатации и степень защиты прибора
1.2.1 Номинальные значения климатических факторов – согласно ГОСТ 15150 для вида климатического исполнения УХЛ4, тип атмосферы II (промышленная).
1.2.2 Степень защиты прибора IP20 по ГОСТ 14254 (защита от попадания посторонних твердых тел диаметром более 12,5 мм).

2 Технические данные

2.1 Характеристики прибора:
– число дискретных входов для подключения внешнего управления – три;
– число дискретных выходов для индикации перегрузки в силовых цепях прибора – один;
– число коммутируемых фаз – три;
– реверсируемые фазы – В и С.

2.2 На передней панели прибора размещены светодиоды РАБОТА зеленого цвета и ПЕРЕГРУЗКА красного цвета, кнопка СБРОС и клеммные соединители УПРАВЛЕНИЕ, ВХОД 380 В и ВЫХОД 380 В.

2.3 Электрические параметры и характеристики
2.3.1 Питание прибора осуществляется от внешнего источника постоянного напряжения (24 ± 0,24) В.
2.3.2 Ток потребления прибора по цепи +24 В не более 180 мА.
2.3.3 Время установления рабочего режима – не более 10 с.
2.3.4 По степени защиты от поражения электрическим током прибор относится к классу защиты 0 в соответствии с требованиями ГОСТ 12.2.007.0.
2.3.5 Напряжение изоляции между силовыми цепями прибора и цепями управления, а также цепью +24 В выдерживает без пробоя и поверхностного перекрытия испытательное напряжение ~1500 В, 50 Гц в нормальных климатических условиях.
2.3.6 Сопротивление изоляции силовых цепей относительно цепей управления и цепи +24 В не менее 20 МОм в нормальных климатических условиях.

2.4 Прибор предназначен для непрерывной работы.

2.5 Параметры дискретных входов прибора:
– логическому нулю (единице) на входах «Открыть», «Закрыть» соответствует разомкнутое (замкнутое) состояние контактов подключенного к прибору устройства;
– напряжение логического нуля на входе «Блокировка» от 0 до 1 В;
– логической единице на входе «Блокировка» соответствует разомкнутое состояние контактов подключенного к прибору устройства;
– минимальная длительность логической единицы или логического нуля 0,1 с;
– ток в цепях «Открыть», «Закрыть» и «Блокировка» от 15 до 24 мА.

2.6 Предельные параметры ключей прибора:
– напряжение коммутации силового ключа не более 380 В, 50 Гц;
– коммутируемый ток силового ключа не более 3 А;
– напряжение коммутации ключа перегрузки не более ± 36 В;
– коммутируемый ток ключа перегрузки не более 0,5 А.

2.7 Прибор обеспечивает защиту от перегрузок и короткого замыкания по фазам В и С.

2.8 Значение тока срабатывания защиты цепей питания электропривода (4,3 ± 0,5) А, время срабатывания от 2,0 до 20 с.

Примечание
Допускается сокращение времени срабатывание защиты при увеличении тока нагрузки.

2.9 Надежность
2.9.1 Средняя наработка на отказ прибора не менее 100000 ч.
2.9.2 Срок службы прибора составляет 14 лет.

3 Общее устройство и принцип работы прибора

3.1 Прибор выполнен на основе твердотельного полупроводникового оптоэлектронного трехфазного реле (далее «ПР») и ориентирован на управление одно- или трехфазным исполнительным электроприводом.

3.2 Силовое трехфазное напряжение для трехфазных исполнительных механизмов или однофазное напряжение для однофазных исполнительных механизмов поступает на электромагнитное реле, обеспечивающее обесточивание силовых цепей и обмоток двигателя электропривода при выключенном питании прибора или при возникновении аварийных ситуаций.

3.3 Управляющее напряжение для ПР формируется схемой согласования с внешними цепями. Соответствующий порядок коммутации силовых цепей определяется таблицей 1.

Таблица 1

Дискретные входы прибора (цепи разъёма «УПРАВЛЕНИЕ»)			Силовые цепи (вход/выход)
			Прямой ход			Обратный ход
Блокировка	Открыть	Закрыть	Фаза А	Фаза В	Фаза С	Фаза С (В)	Фаза В (С)
Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р	Р
З	З	Р	З	З	З	Р	Р
З	Р	З	З	Р	Р	З	З
З	З	З	Р	Р	Р	Р	Р
З	Р	P	Р	Р	Р	Р	Р

Примечания:
1. Р - разомкнуто;
2. З - замкнуто

3.4 Прибор содержит нелинейные элементы (варисторы), используемые в качестве защиты ПР, и токовые трансформаторы, позволяющие контролировать текущее значение тока в фазах В и С.

3.5 Формирование алгоритма работы прибора обеспечивается микроконтроллером.

3.6 На лицевой панели прибора расположены клеммные соединители для подключения входных и выходных цепей прибора, светодиод РАБОТА зеленого цвета и светодиод ПЕРЕГРУЗКА красного цвета.

3.7 Прибор состоит из двух плат: платы ячейки силовых цепей ЯСЦ и платы ячейки защиты ЯЗ. На плате ЯСЦ установлены клеммные соединители, электромагнитное реле, элементы защиты ПР. ПР устанавливается на металлической панели, связанной с ЯСЦ через полистироловые втулки. На плате ЯЗ установлены элементы схемы согласования и токового датчика, светодиоды РАБОТА и ПЕРЕГРУЗКА, кнопка СБРОС.

В качестве корпуса прибора использована пластмассовая коробка СМ175 фирмы Phoenix Contact GmbH & Co. Основание корпуса прибора с установленными в нем печатными платами закрывается крышкой с защелками. На лицевой панели (крышке) размещен декоративный шильдик с описанием основных характеристик прибора. Крышка имеет окна для подключения входных и выходных цепей прибора через клеммные соединители, отверстия для светодиодов и кнопки.

Установка прибора производится на монтажный рельс EN 50 02235x7,5 Phoenix Contact GmbH & Co. (DIN–рельс).

4 Устройство и работа составных частей прибора

4.1 Питание прибора и его управление осуществляется через разъем «УПРАВЛЕНИЕ», выполненный на основе клеммных соединителей FRONT 2,5–H/SA5 фирмы Phoenix Contact GmbH & Co. Названия и назначения цепей приведены в таблице 2.

Таблица 2

Номер контакта	Название сигнала	Назначение
1	Открыть	Выход цепи питания контакта 2
2
3	Закрыть	Выход цепи питания контакта 4
4		Вход нормально разомкнутых «сухих контактов»
5	Блокировка	Выход цепи питания контакта 6
6		Вход нормально разомкнутых «сухих контактов»
7, 8	Перегрузка	Выход нормально разомкнутых «сухих контактов»
9	+24 В	Цепи питания блока
10	Общий

4.2 Ячейка силовых цепей ЯСЦ

ЯСЦ выполнена на основе твердотельного полупроводникового оптоэлектронного трехфазного реле переменного тока с контролем перехода фазы через «ноль» 5П55.30ТМА–10–8–Д8 ЕСНК.431162.001 ТУ.

В составе ячейки имеются цепи защиты внутренних коммутирующих семисторов ПР в период реверса нагрузки от бросков трехфазного сетевого напряжения и межфазного замыкания.

Контроль текущего значения тока фаз В и С обеспечивается двумя трансформаторами тока. Подключение силовых цепей осуществляется через клеммные соединители FRONT 4–H–7,62 фирмы Phoenix Contact GmbH & Co.

4.3 Ячейка защиты ЯЗ

В составе ЯЗ имеются следующие узлы:
– два канала двухполупериодного выпрямителя;
– два канала компараторов тока;
– микроконтроллер, обеспечивающий алгоритм функционирования БТУ;
– оптопара, обеспечивающая гальваническую развязку между цепями БТУ и цепью сигнализации перегрузки пользователя;
– формирователь индикации нормального функционирования ячейки (светодиод РАБОТА);
– формирователь индикации перегрузки прибора (светодиод ПЕРЕГРУЗКА);
– формирователь возврата прибора в режим нормального функционирования (кнопка СБРОС);
– узел сопряжения и защиты цепей управления ПР;
– вторичный источник стабилизированного напряжения, формирующий из напряжения + 24 В напряжение питания + 5 В;
– разъем для подключения цепей управления и питания.

5 Комплектность поставки

В комплект поставки прибора входят:

6 Габаритные размеры и масса

6.1 Габаритные размеры прибора не превышают 175х155х159 мм.

6.2 Масса не более 1,8 кг.

7 Установка прибора

7.1 Прибор устанавливается на стандартный DIN–рельс, который крепится внутри шкафа или на стене в горизонтальном положении.

7.2 Cведения по установке и схемы подключений к прибору внешних устройств даны в руководстве по эксплуатации УНКР.468364.002 РЭ.

8 Дополнительная информация

Подробно сведения по техническим характеристикам, принципу действия, установке, подготовке к работе и порядке работы с прибором даны в руководстве по эксплуатации УНКР.468364.002 РЭ.

В статье рассказывается о том, как работает тиристорный регулятор мощности, схема которого будет представлена ниже

В повседневной жизни очень часто возникает необходимость регулирования мощности бытовых приборов, например электроплиты, паяльника, кипятильников и ТЭНов, на транспорте - оборотов двигателя и т.д. На помощь приходит простейшая радиолюбительская конструкция - регулятор мощности на тиристоре. Собрать такое устройство не составит труда, оно может стать тем самым первым самодельным прибором, который будет выполнять функцию регулировки температуры жала паяльника начинающего радиолюбителя. Стоит отметить, что готовые паяльные станции с контролем температуры и прочими приятными функциями стоят на порядок дороже простого паяльника. Минимальный набор деталей позволяет собрать простой тиристорный регулятор мощности навесным монтажом.

К сведению, навесной монтаж — это способ сборки радиоэлектронных компонентов без применения печатной платы, а при хорошем навыке он позволяет быстро собрать электронные устройства средней сложности.

Вы также можете заказать тиристорного регулятора, а для тех, кто хочет разобраться во всём самостоятельно, ниже будет представлена схема и объяснён принцип работы.

Между прочим, это однофазный тиристорный регулятор мощности. Такой прибор может быть использован для управления мощностью или количеством оборотов. Однако для начала следует разобраться в ведь это позволит нам понять, на какую нагрузку лучше использовать такой регулятор.

Как работает тиристор?

Тиристор - это управляемый полупроводниковый прибор, способный проводить ток в одном направлении. Слово «управляемый» употреблено неспроста, поскольку с его помощью, в отличие от диода, который тоже проводит ток только к одному полюсу, можно выбирать момент, когда тиристор начнет проводить ток. Тиристор имеет три вывода:

• Анод.
• Катод.
• Управляющий электрод.

Для того чтобы ток начал течь через тиристор, необходимо выполнить следующие условия: деталь должна стоять в цепи, находящейся под напряжением, на управляющий электрод должен быть подан кратковременный импульс. В отличие от транзистора, управление тиристором не требует удержания управляющего сигнала. На этом нюансы не заканчиваются: тиристор можно закрыть, лишь прервав ток в цепи, или сформировав обратное напряжение анод - катод. Это значит, что использование тиристора в цепях постоянного тока весьма специфично и часто неблагоразумно, а вот цепях переменного, например в таком приборе как тиристорный регулятор мощности, схема построена таким образом, что обеспечено условие для закрытия. Каждая из полуволн будет закрывать соответствующий тиристор.

Вам, скорее всего, не всё понятно? Не стоит отчаиваться - ниже будет подробно описан процесс работы готового устройства.

Область применения тиристорных регуляторов

В каких цепях эффективно использовать тиристорный регулятор мощности? Схема позволяет отлично регулировать мощность нагревательных приборов, то есть воздействовать на активную нагрузку. При работе с высокоиндуктивной нагрузкой тиристоры могут просто не закрыться, что может привести к выходу регулятора из строя.

Можно ли двигателя?

Я думаю, многие из читателей видели или пользовались дрелями, углошлифовальными машинами, которые в народе именуют "болгарками", и прочим электроинструментом. Вы могли заметить, что количество оборотов зависит от глубины нажатия на кнопку-курок прибора. Вот в этот элемент как раз и встроен такой тиристорный регулятор мощности (схема которого приведена ниже), с помощью которого осуществляется изменение количества оборотов.

Обратите внимание! Тиристорный регулятор не может изменять обороты асинхронных двигателей. Таким образом, напряжение регулируется на коллекторных двигателях, оборудованных щёточным узлом.

Схема одном и двух тиристорах

Типовая схема для того, чтобы собрать тиристорный регулятор мощности своими руками изображена на рисунке ниже.

Выходное напряжение у данной схемы от 15 до 215 вольт, в случае применения указанных тиристоров, установленных на теплоотводах, мощность составляет порядка 1 кВт. Кстати выключатель с регулятором яркости света сделан по подобной схеме.

Если у вас нет необходимости полной регулировки напряжения и достаточно получать на выходе от 110 до 220 вольт, воспользуйтесь этой схемой, которая показывает однополупериодный регулятор мощности на тиристоре.

Как это работает?

Описанная ниже информация справедлива для большинства схем. Буквенные обозначения будут браться в соответствии первой схемы тиристорного регулятора

Тиристорный регулятор мощности, принцип работы которого основан на фазовом управлении величиной напряжения, изменяет и мощность. Данный принцип заключается в том, что в нормальных условиях на нагрузку действует переменное напряжение бытовой сети, изменяющееся по синусоидальному закону. Выше, при описании принципа работы тиристора, было сказано, что каждый тиристор работает в одном направлении, то есть управляет своей полуволной от синусоиды. Что это значит?

Если с помощью тиристора периодически подключать нагрузку в строго определенный момент, величина действующего напряжения будет ниже, поскольку часть напряжения (действующая величина, которая «попадёт» на нагрузку) будет меньше, чем сетевое. Данное явление проиллюстрировано на графике.

Заштрихованная область - это и есть область напряжения, которое оказалось под нагрузкой. Буквой «а» на горизонтальной оси обозначен момент открытия тиристора. Когда положительная полуволна закончится и начнется период с отрицательной полуволной, один из тиристоров закрывается, и в тот же момент открывается второй тиристор.

Разберемся, как работает конкретно наш тиристорный регулятор мощности

Схема первая

Оговорим заранее, что вместо слов "положительная" и "отрицательная" будут использованы «первая» и «вторая» (полуволна).

Итак, когда на нашу схему начинает действовать первая полуволна, начинают заряжаться ёмкости C1 и C2. Скорость их заряда ограничена потенциометром R5. данный элемент является переменным, и с его помощью задаётся выходное напряжение. Когда на конденсаторе C1 появляется необходимое для открытия динистора VS3 напряжение, динистор открывается, через него поступает ток, с помощью которого будет открыт тиристор VS1. Момент пробоя динистора и есть точка «а» на графике, представленном в предыдущем разделе статьи. Когда значение напряжения переходит через ноль и схема оказывается под второй полуволной, тиристор VS1 закрывается, и процесс повторяется заново, только для второго динистора, тиристора и конденсатора. Резисторы R3 и R3 служат для управления, а R1 и R2 - для термостабилизации схемы.

Принцип работы второй схемы аналогичен, но в ней идёт управление только одной из полуволн переменного напряжения. Теперь, зная принцип работы и схему, вы можете собрать или починить тиристорный регулятор мощности своими руками.

Применение регулятора в быту и техника безопасности

Нельзя не сказать о том, что данная схема не обеспечивает гальванической развязки от сети, поэтому существует опасность поражения электрическим током. Это значит, что не стоит касаться руками элементов регулятора. Необходимо использовать изолированный корпус. Следует проектировать конструкцию вашего прибора так, чтобы по возможности вы могли спрятать её в регулируемом устройстве, найти свободное место в корпусе. Если регулируемый прибор располагается стационарно, то вообще имеет смысл подключить его через выключатель с регулятором яркости света. Такое решение частично обезопасит от поражения током, избавит от необходимости поиска подходящего корпуса, имеет привлекательный внешний вид и изготовлено промышленным методом.

— устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.

Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:

• «закрытая» (уровень проводимости низкий);
• «открытая» (уровень проводимости высоки).

Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.

Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.

Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).

Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.

Разновидности тиристоров отличаются между собой:

• Способом управления.
• Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).

Общие принципы управление

В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.

Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.

Тиристоры с управляющим электродом могут быть:

• Запираемыми;
• Незапираемыми.

Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.

Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).

Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.

Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.

При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.

Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:

• Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
• Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
• Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
• Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).

Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.

Конкретные способы управления

• Амплитудный .

Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.

Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.

• Фазовый.

Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.

• Фазово-импульсный .

Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.

Тиристоры и безопасность

Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.

Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.

Двухтранзисторная модель тиристора

Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.

Соединение между ними осуществляется по двум каналам:

• Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
• Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.

Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.

Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.