Схемы регуляторов мощности (диммеров) на симисторах

Принцип работы симисторных регуляторов мощности (напряжения) в цепях
переменного тока.

Что такое симистор, принцип его работы, а также справочные характеристики некоторых популярных приборов мы с Вами внимательно
рассмотрели на странице &nbspСсылка на страницу.

Там же мы отметили, что симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью вытеснил его из электроцепей
переменного тока.

Вспомним пройденный материал.

Отличительной чертой симистора является то, что при подаче на его управляющий электрод тока (напряжения), прибор переходит в проводящее
состояние, замыкая нагрузку, причём проводит ток, независимо от полярности, приложенного к нагрузке напряжения.

Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с
полярностью «анодного» напряжения (т. е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой — в момент прохождения
отрицательной).

Итак. Важным плюсом симисторных схем в электроцепях переменного тока является отсутствие выпрямительных устройств,
и двухполюсность напряжения в нагрузке, что даёт возможность подключать их, помимо всего прочего, как трансформаторам, так
и электродвигателям переменного тока.

Познакомимся с расхожими схемами симисторных регуляторов.

Для начала давайте рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности с фазово-импульсным
управлением, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 1200 Вт.

Рис.1

При замене симистора на другой, с большей величиной допустимого тока, мощность нагрузки можно увеличивать практически неограниченно.

А теперь — как это всё работает?

В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается
через последовательно соединённые резисторы R1 и R2.
Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного
сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора — тем больше сдвиг по фазе.

Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В).
Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным
сопротивлением открытого симистора и нагрузки.

При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому
уровню.

Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности,
подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис. 1 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях и
обмотках трансформаторов),
симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми
электродами триака,
которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.1 показана синим цветом).

В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность
для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

Существуют и различные модификации приведённой выше простейшей схемы диммера.

Рис.2

Дополнительная цепочка R3 C2 (Рис.2 слева) призвана увеличить максимально достижимый фазовый сдвиг между сетевым напряжением и
напряжением, поступающим на левый вывод динистора, что в свою очередь позволяет производить более глубокую регулировку мощности,
подводимой к нагрузке.

На схеме, приведённой на Рис.2 справа, цепь, образованная диодами D1, D2 и резистором R1, обеспечивает плавность регулировки
при минимальной выходной мощности. Без неё характеристика управления регулятором имеет гистерезис, что проявляется в скачкообразном
повышении регулируемой мощности от нуля до 3…5% от максимальной.

Диодно-резисторная цепочка разряжает конденсатор при переходе сетевого напряжения от отрицательной к положительной полуволне и,
тем самым, устраняет эффект скачкообразного начального увеличения мощности в нагрузке.

Изредка можно встретить устройства, в которых регулировка мощности производится посредством отдельной схемы, которая
формирует импульсы с регулируемой длительностью для управления симистором.

Такие диммеры обладают значительно лучшими характеристиками, чем представленные выше, однако обратной стороной медали является
повышенная сложность устройств и необходимость наличия отдельного источника питания схемы. Исключения составляют устройства,
выполненные на специализированных ИМС. Примером такой микросхемы является фазовый регулятор КР1182ПМ1.

Рис.3

Применение КР1182ПМ1 в регуляторах мощности (Рис.3) позволяет добиваться как хорошей повторяемости, так и широкого диапазона перестройки
и высокой температурной стабильности.

А если уж мы решили заморачиваться созданием отдельной схемы формирования управляющих импульсов, то имеет смысл отказаться от
фазово-импульсного метода управления, и обратиться в сторону регуляторов мощности, работающих по принципу пропускания через
нагрузку определённого целого числа периодов сетевого напряжения в единицу времени.

При таком способе регулирования появляется возможность включения симистора вблизи точки пересечения сетевым переменным напряжением
нулевого потенциала, вследствие чего радикально снижается уровень помех, вносимых в электросеть.

Освещение таким диммером не запитаешь ввиду заметного мерцания, а вот для беспомехового регулирования мощности электронагревательных
приборов — самое то.

Рис.4

Данная схема (Рис.4) перекочевала со страницы https://www.radiokot.ru/circuit/power/converter/50/ и представляет собой модификацию
регулятора мощности, описанного в журнале Радио, 2009, № 9, с. 40–41 «В.Молчанов Симисторный регулятор мощности». Вот, что пишет
автор.

«Устройство предназначено для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов, работающих от сети переменного
тока 220 В.

Кроме снижения уровня коммутационных помех, в регуляторе реализован принцип пропускания в нагрузку целого числа периодов сетевого
напряжения. При таком способе регулирования с высокой точностью обеспечивается отсутствие постоянной составляющей напряжения на нагрузке,
вследствие чего дополнительно снижается уровень искажений, вносимых в электросеть. Это особенно важно в случае мощной нагрузки.

Максимальная мощность нагрузки, подключаемой к регулятору, составляет 1 кВт. Потребляемый регулятором ток от сети не превышает 4 мА
(действующее значение), типовое потребление – 3,5 мА.

На микросхеме DD1 и элементах R1, C1, VD1, VD2 выполнен синхронизированный с сетью генератор прямоугольных импульсов.
Период импульсов, вырабатываемых генератором, составляет около 1,3 с. Резистор R1 регулирует скважность импульсов.
Элементы DD1.1, DD1.2 и DD1.3, DD1.4 включены как два RS‑триггера, на входы которых (выводы 1 и 9 микросхемы) через делитель
R7R6 поступает часть сетевого напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 выполняют функцию мощного инвертора логических сигналов для управления
симистором. Питание устройства осуществляется через параметрический стабилизатор, в котором задействованы балластный резистор R7,
стабилитрон VD3 и сглаживающий конденсатор C3. Когда напряжение на верхнем по схеме сетевом выводе относительно нижнего отрицательное,
стабилитрон VD3 пропускает ток в прямом направлении, когда положительное – ограничивает напряжение на выводах 1 и 9 микросхемы DD1
на уровне 10 В. Ток, проходящий через эти выводы и внутренние защитные диоды микросхемы, заряжает конденсатор C3 до напряжения около
9,2 В, которое служит для питания низковольтной части устройства. Использование защитных диодов микросхемы не приводит к её
защёлкиванию, поскольку амплитудное значение тока через резистор R7 ограничено и составляет около 5 мА.

Во время проверки регулятора мощности удобно в качестве нагрузки подключить лампу накаливания (желательно на 100 Вт или более).
Устройство обычно не нуждается в налаживании, но если оказалось, что симистор VS1 открывается ненадёжно (лампа в нагрузке не
включается или мерцает), можно попробовать уменьшить сопротивление резистора R4 или подобрать экземпляр симистора с меньшим
током открывания. Резистор R4 позволяет выставить мгновенное напряжение сети, при котором происходит открывание симистора.
Это напряжение может быть рассчитано по формуле Uпор ≈ Uпит∙R7/(2∙R4), где Uпит ≈ 9,2 В – напряжение на конденсаторе C3,
сопротивления резисторов R6 и R7 должны быть равны. Уменьшение сопротивления резистора R4 обеспечивает более надёжное открывание
симистора, но увеличивает уровень создаваемых помех, поэтому делать его сопротивление менее 30 кОм нежелательно».

И конечно, было бы совсем неправильно не упомянуть о таком важном представителе симисторного семейства, как — оптосимистор.

Оптосимистор включается посредством освещения полупроводникового слоя и представляет собой комбинацию оптоизлучателя и
симистора в одном корпусе. Преимущество — простая однополярная схема управления и гальваническая изоляция цепей управления от
фаз сетевого напряжения.

Оптосимисторы могут коммутировать нагрузку как сами (Рис.5),

Рис.5

так и управлять более мощными симисторами (Рис.6).

Рис.6

За счёт полной гальванической развязки управляющих цепей оптосимистора, основное его предназначение — это управление
мощностью нагрузки при помощи логических устройств или микроконтроллеров с собственными цепями питания.

Рис.7

В качестве примера на Рис.7 приведена схема регулятора мощности паяльника.

Вот, как работу этой схемы описывает уважаемый Falconist на странице сайта http://forum. cxem.net .

«Оптосимистор серии МОС204х/306х/308х содержит внутри себя схему пересечения питающим напряжением нуля, т.е. открывается только
в точке нулевого значения синусоидального сетевого напряжения, независимо от момента поступления управляющего напряжения на его светодиод.
Тем самым обеспечивается ключевой режим подключения нагрузки, с практически полным отсутствием ВЧ помех, проникающих в сеть 220 В.
Поэтому его замена на оптосимисторы МОС302х/305х, не имеющих такой схемы, крайне нежелательна, т.к. порочит сам принцип беспомехового
регулирования.

Конденсатор С1 является балластным реактивным сопротивлением. Ток, который он пропускает совместно с подключенным параллельно ему
резистором R1,приближенно составляет 16 мА. Данный ток используется для питания таймера DA1 и инфракрасного светодиода оптрона
DA2».

Работа таймера, формирующего управляющий сигнал для оптотиристора, аналогична работе DD1 на Рис.4 и сводится к формированию импульсов
с изменяемой скважностью.

симисторный и тиристорный, системы индикации и схемы

Практически в любом радиоэлектронном устройстве в большинстве случаев присутствует регулировка по мощности. За примерами далеко ходить не надо: это электроплиты, кипятильники, паяльные станции, различные регуляторы вращения двигателей в устройствах.

• Регулятор мощности на симисторе
• Напряжение на тиристоре
  • Простая схема
  • С генератором на основе логики
  • На основе транзистора КТ117

Способов, по которым можно собрать регулятор напряжения своими руками 220 В, в Сети полно. В большинстве случаев это схемы на симисторах или тиристорах. Тиристор, в отличие от симистора, более распространённый радиоэлемент, и схемы на его основе встречаются гораздо чаще. Разберём разные варианты исполнения, основанные на обоих полупроводниковых элементах.

Регулятор мощности на симисторе

Симистор, по большому счету, — это частный случай тиристора, пропускающий ток в обе стороны, при условии, что он выше тока удержания. Один из его недостатков — это плохая работа на высоких частотах. Поэтому его часто используют в низкочастотных сетях. Для построения регулятора мощности на основе обычной сети 220 В, 50 Гц он вполне подходит.

Регулятор напряжения на симисторе используется в обычных бытовых приборах, где нужна регулировка. Схема регулятора мощности на симисторе выглядит следующим образом.

• Пр. 1 — предохранитель (выбирается в зависимости от требуемой мощности).
• R3 — токоограничительный резистор — служит для того чтобы при нулевом сопротивлении потенциометра остальные элементы не выгорели.
• R2 — потенциометр, подстроечный резистор, которым и осуществляется регулировка.
• C1 — основной конденсатор, заряд которого до определённого уровня отпирает динистор, вместе с R2 и R3 образует RC-цепь
• VD3 — динистор, открытие которого управляет симистором.
• VD4 — симистор — главный элемент, производящий коммутацию и, соответственно, регулировку.

Основная работа возложена на динистор и симистор. Сетевое напряжение подаётся на RC-цепочку, в которой установлен потенциометр, им в итоге и регулируется мощность. Производя регулировку сопротивления, мы меняем время зарядки конденсатора и тем самым порог включения динистора, который, в свою очередь, включает симистор. Демпферная RC-цепь, подключённая параллельно симистору, служит для сглаживания помех на выходе, а также при реактивной нагрузке (двигатель или индуктивность) предохраняет симистор от скачков высокого обратного напряжения.

Симистор включается, когда ток, проходящий через динистор, превышает ток удержания (справочный параметр). Отключается, соответственно, когда ток становится меньше тока удержания. Проводимость в обе стороны позволяет настроить более плавную регулировку, чем это возможно, например, на одном тиристоре, при этом используется минимум элементов.

Осциллограмма регулировки мощности представлена ниже. Из неё видно, что после включения симистора оставшаяся полуволна поступает на нагрузку и при достижении 0, когда ток удержания уменьшается до такой степени, что симистор отключается. Во втором «отрицательном» полупериоде происходит тот же процесс, т. к. симистор обладает проводимостью в обе стороны.

Напряжение на тиристоре

Для начала разберёмся, чем отличается тиристор от симистора. Тиристор содержит в себе 3 p-n перехода, а симистор — 5 p-n переходов. Не углубляясь в детали, если говорить простым языком, симистор обладает проводимостью в обоих направлениях, а тиристор — только в одном. Графические обозначения элементов показаны на рисунке. Из графики это хорошо видно.

Принцип работы абсолютно такой же. На чём и построена регулировка по мощности в любой схеме. Рассмотрим несколько схем регулятора на тиристорах. Первая простейшая схема, которая в основе повторяет схему на симисторе, описанную выше. Вторая и третья — с применением логики, схемы, которые более качественно гасят помехи, создаваемые в сети переключением тиристоров.

Простая схема

Простая схема фазового регулирования на тиристоре представлена ниже.

Единственное её отличие от схемы на симисторе — это то, что регулировка происходит только положительной полуволны сетевого напряжения. Времязадающая RC-цепь путём регулирования величины сопротивления потенциометра регулирует величину отпирания, тем самым задавая выходную мощность, поступающую на нагрузку. На осциллограмме это выглядит следующим образом.

Из осциллограммы видно, что регулировка мощности идёт путём ограничения напряжения поступающего на нагрузку. Образно говоря, регулировка заключается в ограничении поступления сетевого напряжения на выход. Регулируя время заряда конденсатора путём изменения переменного сопротивления (потенциометра). Чем выше сопротивление, тем дольше происходит заряд конденсатора и тем меньше мощности будет передано на нагрузку. Физика процесса подробно описана в предыдущей схеме. В этом случае она ничем особым не отличается.

С генератором на основе логики

Второй вариант более сложный. В связи с тем, что процессы коммутации на тиристорах вызывают большие помехи в сети, это плохо влияет на элементы, установленные на нагрузке. Особенно если на нагрузке находится сложный прибор с тонкими настройками и большим количеством микросхем.

Такая реализация тиристорного регулятора мощности своими руками подойдёт для активных нагрузок, например, паяльник или любые устройства нагрева. На входе стоит выпрямительный мост, поэтому обе волны сетевого напряжения будут положительными. Обратите внимание, что при такой схеме для питания микросхем понадобиться дополнительный источник постоянного напряжения +9 В. Осциллограмма из-за наличия выпрямительного моста будет выглядеть следующим образом.

Обе полуволны теперь будут положительными из-за влияния выпрямительного моста. Если для реактивных нагрузок (двигатели и другие индуктивные нагрузки) наличие разно полярных сигналов предпочтительно, то для активных — положительное значение мощности крайне важно. Отключение тиристора происходит также при приближении полуволны к нулю ток удержания подаёт до определённого значения и тиристор запирается.

На основе транзистора КТ117

Наличие дополнительного источника постоянного напряжение может вызвать затруднения, если его нет, и вовсе придётся городить дополнительную схему. Если дополнительного источника у вас нет, то можно воспользоваться следующей схемой, в ней генератор сигналов на управляющий вывод тиристора собран на обычном транзисторе. Есть схемы на основе генераторов, построенных на комплементарных парах, но они более сложные, и здесь мы их рассматривать не будем.

В данной схеме генератор построен на двухбазовом транзисторе КТ117, который при таком применении будет генерировать управляющие импульсы с периодичностью, задаваемой подстроечным резистором R6. На схеме ещё реализована система индикации на базе светодиода HL1.

• VD1-VD4 — диодный мост, выпрямляющий обе полуволны и позволяющий выполнять более плавную регулировку мощности.
• EL1 — лампа накаливания — представлена вроде нагрузки, но может быть любой другой прибор.
• FU1 — предохранитель, в этом случае стоит на 10 А.
• R3, R4 — токоограничительные резисторы — нужны, чтобы не сжечь схему управления.
• VD5, VD6 — стабилитроны — выполняют роль стабилизации напряжения определённого уровня на эмиттере транзистора.
• VT1 — транзистор КТ117 — установлен должен быть именно с таким расположение базы №1 и базы №2, иначе схема будет не работоспособна.
• R6 — подстроечный резистор, определяющий момент, когда поступает импульс на управляющий вывод тиристора.
• VS1 — тиристор — элемент, обеспечивающий коммутацию.
• С2 — времязадающий конденсатор, определяющий период появления управляющего сигнала.

Остальные элементы играют незначительную роль и в основном служат для токоограничения и сглаживания импульсов. HL1 обеспечивает индикацию и сигнализирует только о том, что прибор подключён к сети и находится под напряжением.

Изучение простых схем управления фазой симистора

В схеме управления фазой симистора симистор включается только для определенных частей полупериода переменного тока, в результате чего нагрузка работает только в течение этого периода формы волны переменного тока. Это приводит к контролируемой подаче мощности на нагрузку.

Триаки обычно используются в качестве полупроводниковой замены реле для переключения нагрузок переменного тока большой мощности. Тем не менее, есть еще одна очень полезная функция симисторов, которая позволяет использовать их в качестве регуляторов мощности для управления заданной нагрузкой на заданных уровнях мощности.

В основном это реализуется несколькими способами: управление фазой и переключение при нулевом напряжении.

Применение фазового управления обычно подходит для таких нагрузок, как регуляторы освещенности, электродвигатели, устройства регулирования напряжения и тока.

Переключение при нулевом напряжении больше подходит для реактивных нагрузок, таких как лампы накаливания, обогреватели, паяльники, газовые колонки и т. д. Хотя ими также можно управлять с помощью фазового управления.

Содержимое

Как работает управление фазой симистора

Симистор можно активировать в любой части полупериода приложенного переменного тока, и он будет продолжать находиться в проводящем режиме 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 сути, включается, как переключатель ВКЛ/ВЫКЛ, включенный.

Однако предположим, что если этот сигнал запуска используется где-то в середине формы волны переменного тока, симистору будет разрешено работать только в течение оставшегося периода этого полупериода.

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

Таким образом, мощностью нагрузки можно управлять на любом желаемом уровне, просто изменяя точку срабатывания симистора на форме сигнала фазы переменного тока. Вот как работает управление фазой с помощью симистора.

Применение регулятора освещенности

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

Приблизительно на этом уровне триггерный диод (диак) принудительно загорается, в результате чего напряжение проходит через триггер и затвор симистора.

Вместо диака можно использовать неоновую лампу для получения того же результата. Время, необходимое конденсатору емкостью 0,1 мкФ для зарядки до порога срабатывания диака, зависит от настройки сопротивления потенциометра управления.

Теперь предположим, что если потенциометр настроить на нулевое сопротивление, это вызовет мгновенную зарядку конденсатора до уровня срабатывания диака, что, в свою очередь, приведет к переходу в проводимость почти на весь полупериод переменного тока.

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

работать только в течение очень короткого промежутка времени, пока сигнал переменного тока проходит через конец полупериода.

Хотя продемонстрированная выше схема диммера действительно проста и недорога в изготовлении, она имеет одно существенное ограничение — она ​​не позволяет плавно регулировать мощность на нагрузке от нуля до максимума.

При вращении потенциометра мы можем обнаружить, что ток нагрузки резко возрастает от нуля до некоторых более высоких уровней, откуда только после этого можно плавно работать на более высоких или более низких уровнях.

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

Как уменьшить гистерезис

Этот эффект гистерезиса можно существенно уменьшить, реализуя схему, показанную на рис. 3 ниже.

Исправление: Замените 100 мкФ на 100 мкГн для катушки RFI

Эта схема прекрасно работает в качестве бытового диммера. Все детали могут быть установлены сзади настенного распределительного щита, и в случае, если нагрузка окажется ниже 200 Вт, симистор может работать без радиатора.

Практически 100% отсутствие гистерезиса необходимо для диммеров, используемых в оркестровых представлениях и театрах, чтобы обеспечить последовательное управление освещением ламп. Эту функцию можно реализовать, работая 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 период, когда нить накаливания достигает своей рабочей температуры. Этот импульсный ток при включении может превышать номинальный ток симистора примерно в 10–12 раз.

К счастью, бытовые лампочки способны 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 лампочкам большей мощности требуется гораздо больше времени для достижения рабочей температуры. Для такого типа приложений симистор должен быть рассчитан как минимум на 5-кратную типичную максимальную нагрузку.

Колебания напряжения в цепях управления фазой симистора

Каждая из показанных цепей управления фазой симистора зависит от напряжения, т. е. их выходное напряжение изменяется в ответ на изменения входного напряжения питания. Эту зависимость от напряжения можно устранить, используя стабилитрон, способный стабилизировать и поддерживать постоянное напряжение на времязадающем конденсаторе (рис. 4).

Эта настройка помогает поддерживать практически постоянный выходной сигнал независимо от любых значительных изменений входного сетевого напряжения переменного тока. Он регулярно используется в фотографии и других приложениях, где очень стабильный и фиксированный уровень света становится важным.

Управление люминесцентной лампой

Ссылаясь на все описанные схемы управления фазой, можно было управлять лампами накаливания без каких-либо дополнительных изменений в существующей системе домашнего освещения.

Диммирование люминесцентных ламп также возможно с помощью такого симисторного управления фазой. Когда внешняя температура галогенной лампы падает ниже 2500°C, регенерирующий галогенный цикл становится нерабочим.

Это может привести к отложению вольфрамовой нити на стенке лампы, сокращению срока службы нити накала, а также ограничению передачи света через стекло. Регулировка, которая часто используется вместе с некоторыми из рассмотренных выше схем, показана на рис. 5 9.0003

Эта настройка включает лампы с наступлением темноты и снова выключает их на рассвете. Фотоэлементу необходимо видеть окружающий свет, но быть экранированным от управляемой лампы.

Управление скоростью двигателя

Симисторное управление фазой также позволяет регулировать скорость электродвигателей. Общий тип двигателя с последовательной обмоткой может управляться с помощью схем, очень похожих на те, которые применяются для затемнения света.

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

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

Однако для некритичных приложений (например, управление скоростью вентилятора), в которых нагрузка фиксируется на любой заданной скорости , схема не потребует никаких изменений.

Скорость двигателя, которая обычно при предварительном программировании поддерживается постоянной даже при изменении условий нагрузки, оказывается полезной характеристикой для электроинструментов, лабораторных мешалок, часовых станков, гончарных кругов и т. д. ‘ ОПЗ обычно включают в полуволновую схему (рис. 7).

Схема работает достаточно хорошо в ограниченном диапазоне скоростей двигателя, хотя может быть уязвима для низкоскоростных «заиканий», а правило полуволны запрещает стабилизированную работу намного выше 50% диапазона скоростей. Схема управления фазой с измерением нагрузки, в которой симистор обеспечивает полное управление от нуля до максимума, показана на рис. 8. если задействованы двигатели с расщепленной фазой или конденсаторным пуском. Обычно асинхронные двигатели могут управляться между полной и половинной скоростью, учитывая, что они не нагружены на 100%.

Температура двигателя может быть использована в качестве достаточно надежного эталона. Температура никогда не должна выходить за пределы спецификаций производителя, на любой скорости.

Опять же, можно применить усовершенствованную схему регулятора освещенности, показанную на рис. 6 выше, однако нагрузка должна быть подключена в другом месте, как показано пунктирными линиями

Изменение напряжения трансформатора посредством управления фазой

Схема настроена Объясненное выше можно также использовать для регулирования напряжения в первичной обмотке трансформатора, тем самым получая вторичный выходной сигнал с переменной скоростью.

Эта конструкция применялась в различных контроллерах ламп микроскопа. Переменная установка нуля обеспечивается заменой резистора 47К на потенциометр 100К.

Управление нагревательными нагрузками

Различные симисторные схемы управления фазами, обсуждавшиеся до сих пор, могут применяться для управления нагрузками типа нагревателя, хотя контролируемая температура нагрузки может изменяться в зависимости от входного переменного напряжения и температуры окружающей среды. Схема, компенсирующая такое изменение параметров, показана на рис. 10.9.0003

Гипотетически эта схема может поддерживать стабилизацию температуры в пределах 1% от заданной точки независимо от изменений сетевого напряжения переменного тока на +/-10%. Точная общая производительность может определяться структурой и конструкцией системы, в которой применяется контроллер.

Эта схема обеспечивает относительное управление, что означает, что общая мощность передается на отопительную нагрузку, когда нагрузка начинает прогреваться, а затем в какой-то промежуточной точке мощность снижается за счет меры, которая пропорциональна разнице между фактической температура груза и предполагаемая температура груза.

Пропорциональный диапазон изменяется с помощью регулятора усиления. Схема проста, но эффективна, однако у нее есть один существенный недостаток, который ограничивает ее использование в основном более легкими нагрузками. Эта проблема связана с излучением сильных радиопомех из-за прерывания фазы симистора.

Радиочастотные помехи в системах управления фазой

Все симисторные устройства управления фазой создают огромное количество радиочастотных помех (радиочастотные помехи или РЧ-помехи). В основном это происходит на низких и средних частотах.

Радиочастотное излучение сильно улавливается всеми близлежащими средневолновыми радиоприемниками и даже аудиооборудованием и усилителями, создавая раздражающий громкий звон.

Это радиопомехи может также воздействовать на оборудование исследовательских лабораторий, особенно на рН-метры, что приводит к непредсказуемому функционированию компьютеров и других подобных чувствительных электронных устройств.

Возможное средство для уменьшения ВЧ-помех состоит в том, чтобы добавить РЧ-индуктивность последовательно с линией электропередачи (обозначается как L1 в схемах). Дроссель подходящего размера можно изготовить, намотав от 40 до 50 витков медного провода с суперэмалевым покрытием на небольшой ферритовый стержень или любой ферритовый сердечник.

Это может привести к увеличению индуктивности прибл. 100 мкГн, что в значительной степени подавляет колебания РЧ-помех. Для усиленного подавления может быть важно максимально увеличить количество витков до максимально возможного или индуктивности до 5 Гн. заключается в том, что мощность нагрузки должна учитываться в зависимости от толщины дроссельной проволоки. Поскольку нагрузка должна быть в киловаттном диапазоне, то провод РЧ-дросселя должен быть достаточно толстым, что приводит к значительному увеличению размера катушки и ее громоздкости.

ВЧ-шум пропорционален мощности нагрузки, поэтому более высокие нагрузки могут привести к увеличению ВЧ-излучения, что потребует более совершенных схем подавления.

Эта проблема может быть не столь серьезной для индуктивных нагрузок, таких как электродвигатели, поскольку в таких случаях обмотка нагрузки сама по себе ослабляет ВЧ-помехи. Управление фазой симистора также связано с дополнительной проблемой — это коэффициент мощности нагрузки.

На коэффициент мощности нагрузки может оказать негативное влияние, и к этому вопросу регуляторы электропитания относятся очень серьезно.

Принципы и схемы симистора — часть 1

» Перейти к дополнительным материалам

Симистор представляет собой управляемый твердотельный переключатель питания переменного тока с полуфиксацией средней и высокой мощности. В этой статье, состоящей из двух частей, объясняется его основная работа и показаны различные способы его использования. Большинство практических схем показывают два набора значений компонентов для использования с обычными бытовыми/коммерческими источниками переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц с номинальным значением либо 240 В (как используется в большинстве стран Европы), либо (в скобках) 120 В (как используется в большинстве стран Европы). США). В каждой конструкции пользователь должен использовать симистор с номиналами, соответствующими его или ее конкретному приложению.

Основы симистора

Симистор представляет собой твердотельный тиристор с тремя выводами (MT1, затвор и MT2), который использует альтернативные символы на рис. Терминал. Он может проводить ток в любом направлении между своими клеммами MT1 и MT2 и, таким образом, может использоваться для прямого управления питанием переменного тока. Он может запускаться как положительным, так и отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2, и, таким образом, он имеет четыре возможных режима запуска или «квадранта», обозначенных следующим образом:

I+     Mode = ток MT2 +ve, ток затвора +ve
I-      Mode = ток MT2 +ve, ток затвора -ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, ток затвора +ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, gate current -ve

Чувствительность триггерного тока наибольшая, когда MT2 и вентильный токи имеют одинаковую полярность (либо оба положительные, либо оба отрицательные), и обычно вдвое меньше, когда они имеют противоположную полярность.

На рис. 2 показан симистор, используемый в качестве простого переключателя питания переменного тока, управляющий резистивной ламповой нагрузкой; Предположим, что SW2 закрыт. Когда SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор запирается через R1 и самоблокируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку. Симистор автоматически разблокируется в конце каждого полупериода переменного тока, когда мгновенное напряжение питания (и, следовательно, ток нагрузки) кратковременно падает до нуля.

В рис. 2 задача резистора R1 заключается в ограничении пикового мгновенного тока затвора симистора при включении до безопасного значения; его сопротивление (вместе с сопротивлением нагрузки) должно быть больше, чем пиковое напряжение питания (примерно 350 В в цепи 240 В переменного тока, 175 В в цепи 120 В), деленное на номинальный пиковый ток затвора симистора (который обычно указывается в документации производителя симистора). расширенные технические данные).

Обратите внимание на , рис. 2, (и в большинстве других симисторных схем, показанных в этой мини-серии), что — по соображениям безопасности — нагрузка подключается последовательно с нейтральной линией (N) источника переменного тока, а главное вкл./выкл. переключатель SW2 может изолировать всю цепь от действующей (L) линии.

Эффект скорости симистора

Большинство симисторов, как и SCR, подвержены проблемам «скорости-эффекта». Между основными выводами и затвором симистора неизбежно существуют внутренние емкости, и если на одном из основных выводов появляется резко возрастающее напряжение, оно может — если его скорость нарастания превышает номинальную dV/dt симистора — вызвать достаточный прорыв к гейт, чтобы включить симистор. Это нежелательное включение «эффекта скорости» может быть вызвано переходными процессами в линии питания; проблема, однако, особенно серьезна при управлении индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, в которых токи и напряжения нагрузки не совпадают по фазе, что приводит к внезапному появлению большого напряжения на основных клеммах каждый раз, когда симистор размыкается, когда ток на его основной клемме падает. почти до нуля в каждом рабочем полупериоде.

Проблемы, связанные с эффектом скорости, обычно можно решить, подключив R-C «снабберную» сеть между MT1 и MT2, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения до безопасного значения, как показано (например) в цепи переключателя питания симистора в Рисунок 3 , где R2-C1 образуют снабберную сеть. Некоторые современные симисторы имеют повышенные характеристики dV/dt (обычно 750 В/мс) и практически не подвержены влиянию скорости; эти симисторы известны как «бесшумные» типы.

Подавление радиопомех

РИСУНОК 4. Базовый диммер лампы переменного тока с подавлением радиопомех через C1-L1.

Симистор можно использовать для управления переменной мощностью переменного тока с помощью метода «переключения с фазовой задержкой», при котором симистор срабатывает частично в течение каждого полупериода. При каждом включении симистора ток его нагрузки резко (за несколько микросекунд) переключается от нуля до значения, заданного его сопротивлением нагрузки и мгновенными значениями напряжения питания. В схемах с резистивной нагрузкой, таких как диммеры ламп, это действие переключения неизбежно генерирует импульс ВЧ-помех, который наименьший, когда симистор срабатывает вблизи точек пересечения нуля 0° и 180° осциллограммы линии питания (при которой переключатель токи включения минимальны), а максимальны при срабатывании устройства 90° после начала каждого полупериода (когда токи включения максимальны).

Импульсы РЧ-помех возникают с частотой, вдвое превышающей частоту сети, и могут быть очень раздражающими. В диммерах для ламп РЧ-помехи обычно можно устранить, установив на диммер простую сеть LC-фильтров, как показано на рис. 4 . Фильтр устанавливается рядом с симистором и значительно снижает скорость нарастания токов в сети переменного тока.

Диаки и квадраки

Диак — двунаправленное триггерное устройство с двумя выводами; он может использоваться с напряжениями любой полярности и обычно используется в сочетании с симистором; На рис. 5 показан символ схемы. Основное действие диака таково, что при подключении к источнику напряжения через токоограничивающий нагрузочный резистор он действует как высокоимпедансный, пока приложенное напряжение не поднимется примерно до 35 В, после чего он срабатывает и действует как низкоимпедансный 30 В. стабилитрон, и 30 В вырабатывается на диаке, а остальные 5 В появляются на нагрузочном резисторе. Диак остается в этом состоянии до тех пор, пока его прямой ток не упадет ниже минимального удерживающего значения (это происходит, когда напряжение питания падает ниже значения «стабилитрона» 30 В), после чего диак снова отключается.

Диак чаще всего используется в качестве пускового устройства в приложениях управления мощностью с фазным триаком, как в базовой схеме регулятора мощности лампы Рисунок 6 . Здесь в каждом полупериоде линии электропередачи сеть R1-RV1-C1 применяет вариант полупериода с переменной задержкой по фазе к затвору симистора через диак, и когда напряжение C1 возрастает до 35 В, диак срабатывает и подает триггерный импульс 5В (от С1) на затвор симистора, тем самым включая симистор и одновременно подавая питание на ламповую нагрузку и отключая привод от RC-цепи. Таким образом, средняя мощность нагрузки (интегрированная за полный период полупериода) полностью изменяется от почти нуля до максимума через RV1.

На заре разработки симистора некоторые специализированные устройства производились со встроенным диодом последовательно с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали символ схемы Рисунок 7 . Quadrac не имели коммерческого успеха и сейчас устарели.

Варианты силового выключателя переменного тока

Простейший тип симисторного силового выключателя Рис. 2 , в котором симистор включается через R1, когда SW1 замкнут; Только 1 В или около того генерируется на симисторе, когда он включен, поэтому R1 и SW1 потребляют очень небольшую среднюю мощность; На рис. 3 показана та же цепь, снабженная «снабберной» сетью. Есть много полезных вариантов этих основных схем. На рис. 8 , например, показана версия, которая может запускаться от источника постоянного тока переменного тока. C1 заряжается (через R1-D1) до +10 В в каждом положительном полупериоде линии питания переменного тока, и этот заряд запускает симистор, когда SW1 замкнут. Обратите внимание, что R1 постоянно подвергается почти полному напряжению сети переменного тока и, следовательно, требует довольно высокой номинальной мощности, и что все части этой схемы находятся под напряжением, что затрудняет взаимодействие с внешней схемой управления.

На рис. 9 показана вышеприведенная схема, модифицированная для обеспечения «изолированного» взаимодействия с внешней схемой управления. SW1 просто заменяется транзистором Q2, который управляется со стороны фототранзистора оптрона. Светодиод соединителя питается от внешнего источника постоянного тока через R1, а симистор включается только при замыкании SW1; При желании SW1 можно заменить электронной коммутационной схемой.

На рис. 10 показан вариант, в котором симистор запускается по переменному току в каждом полупериоде через импеданс переменного тока C1-R1 и через встречно-параллельные стабилитроны ZD1-ZD2, а C1 рассеивает около нуля сила. Мостовой выпрямитель D1-D4 подключен к сети ZD1-ZD2-R2 и нагружен Q2. Когда Q2 выключен, мост фактически открыт, и симистор открывается в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, между ZD1-ZD2-R2 возникает почти короткое замыкание, и симистор отключается. Q2 управляется через оптопару от изолированной внешней цепи, а симистор включен, когда SW1 разомкнут, и выключен, когда SW1 замкнут.

На рисунках 11 и 12 показаны варианты, в которых симистор запускается с помощью трансформаторного источника питания постоянного тока и транзисторного ключа. В Рисунок 11 , Q2 и симистор оба включены, когда SW1 замкнут, и выключены, когда SW1 разомкнут. На практике SW1 можно заменить электронной схемой, позволяющей активировать симистор с помощью тепла, света, звука, времени и т. д. Обратите внимание, однако, что вся эта схема находится под напряжением. На рис. 12 показана схема, модифицированная для работы с оптопарой, позволяющая активировать ее через полностью изолированную внешнюю схему.

Запуск UJT

Еще один способ получить полностью изолированное симисторное переключение — использовать схемы UJT на рисунках 13 и 14 , в которых UJT представляет собой старый тип 2N2646 или современный аналог. В этих схемах пусковое действие осуществляется через UJT-генератор Q2, который работает на частоте несколько кГц и подает выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор T1, что обеспечивает желаемую «развязку». Из-за довольно высокой частоты колебаний UJT запускает симистор в течение нескольких градусов после начала каждого полупериода сети переменного тока, когда генератор активен.

РИСУНОК 13. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом (с трансформаторной связью).	РИСУНОК 14. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом.

В Рис. 13 Q3 включен последовательно с основным времязадающим резистором UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при замыкании SW1. В Рис. 14 Q3 подключен параллельно основному времязадающему конденсатору UJT, поэтому UJT и симистор включаются только тогда, когда SW1 разомкнут.

Триаки с оптической развязкой

Затворы «голых» симисторов по своей природе фоточувствительны, и, таким образом, симисторы с оптической развязкой могут быть изготовлены путем монтажа «голых» симисторов и светодиода близко друг к другу в одном корпусе. На рис. 15 показана схема и перечислены характеристики типичной шестиконтактной версии DIL такого устройства, в которой светодиод имеет максимальный номинальный ток 50 мА, симистор имеет максимальные номинальные значения 400 В и 100 мА среднеквадратичного значения (и номинальный ток 1,2 А для 10 мс), а весь пакет имеет номинальное напряжение изоляции 1,5 кВ и типичную чувствительность срабатывания по входному току 5 мА.

Триаки с оптопарой просты в использовании и обеспечивают превосходную электрическую изоляцию между входом и выходом. Вход используется как обычный светодиод, а выход как маломощный симистор. На рис. 16 показано устройство, используемое для включения лампы накаливания с питанием от сети переменного тока, которая должна иметь среднеквадратичное значение ниже 100 мА и номинальный пиковый пусковой ток ниже 1,2 А.

РИСУНОК 17. Управление большой мощностью через ведомый симистор.	РИСУНОК 18. Приведение в действие индуктивной нагрузки.

На рис. 17 показан симистор с оптической развязкой, используемый для активации подчиненного симистора, тем самым приводя в действие нагрузку любой требуемой номинальной мощности. Эта схема подходит для использования только с неиндуктивными нагрузками, такими как лампы и нагревательные элементы. Его можно модифицировать для использования с индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, используя соединения, указанные в 9.0051 Рисунок 18 . Здесь цепь R2-C1-R3 обеспечивает определенный фазовый сдвиг в цепи затвора-привода симистора, чтобы обеспечить правильное срабатывание симистора, а R4-C2 образуют демпферную сеть для подавления эффектов скорости.

Синхронный силовой выключатель с «нулевым напряжением»

Синхронный силовой выключатель с «нулевым напряжением» (или «интегральный цикл») — это переключатель, в котором симистор постоянно включается сразу после начала каждого полупериода питания (т. е. около точки нулевого напряжения сигнала), а затем снова автоматически выключается в конце, таким образом генерируя минимальные радиопомехи. В большинстве схем переключения мощности, показанных до сих пор в этой статье, симистор включается в произвольной точке своего начального полупериода включения, тем самым создавая потенциально высокий начальный всплеск радиопомех, но затем дает синхронное действие переключения при нулевом напряжении. на все последующие полупериоды.

Истинно синхронная схема с нулевым напряжением использует систему переключения Рисунок 19 , в которой симистор может быть включен только вблизи начальной точки или точки «нулевого напряжения» каждого полупериода, и, таким образом, создает минимальные радиопомехи. Эта система широко используется для включения/выключения сильноточных нагрузок, таких как электрические нагреватели и т. д.

РИСУНОК 19. Система синхронного переключения питания переменного тока с нулевым напряжением.	РИСУНОК 20. Синхронный выключатель питания переменного тока.

На рис. 20 показан практичный синхронный выключатель питания переменного тока с нулевым напряжением; 10 В постоянного тока получают от переменного тока через R7-D1-ZD1 и C2 и переключают на затвор симистора через Q2, который управляется через SW1 и детектор «нулевого напряжения» Q3-Q4-Q5 и может подавать ток затвора только тогда, когда SW1 закрыт, а Q3 выключен.

В детекторе нулевого напряжения транзисторы Q4 или Q5 включаются всякий раз, когда напряжение в сети переменного тока превышает или ниже нуля более чем на несколько вольт (устанавливается RV1), тем самым активируя Q3 через R5 и блокируя Q2.