Тиристорные регуляторы мощности. Схемы с двумя тиристорами. Тиристорные регуляторы напряжения Имя пользователя тиристорный регулятор напряжения
Несколько лучшие результаты дают схемы с использованием двух тиристоров, включенных встречно - параллельно: и места не надо для лишних диодов, да и тиристорам работать легче. Такая схема показана на рисунке 1.
Управляющие импульсы для каждого тиристора вырабатываются отдельно схемой на динисторах V3, V4 и конденсаторах C1, C2. Мощность в нагрузке регулируется переменным резистором R5.
Но два тиристора это тоже непозволительная роскошь. Поэтому электронная промышленность освоила выпуск симисторов, или, как их по-другому называют симметричных тиристоров.
Габаритами и формой корпуса похож на обычный тиристор, только внутри него «живут» два тиристора, соединенные точно так же, как на рисунке 1 соединены тиристоры V1 и V2. При этом симистор имеет всего один управляющий электрод, что упрощает и схему управления. В общем, как сиамские близнецы.
Рисунок 1. Схема тиристорного регулятора мощности с двумя тиристорами
Совсем простая схема управления получается с использованием в качестве порогового элемента обычной неоновой лампочки. Радиолюбители люди запасливые, сродни гоголевскому Плюшкину, и хранят в запасах много всякого хлама. А ведь известно, что хлам это такая вещь, что вчера выбросил, а завтра она уже нужна. Поэтому отыскать в хламе неоновую лампочку, оставшуюся от ремонта электрического чайника, особого труда не представляет.
Историческая справка
На неоновых лампочках когда-то делали генераторы звуковых частот. Точнее сказать звуковые пробники. Форма колебаний таких генераторов пилообразная. Используя несколько неоновых ламп строились схемы мультивибраторов, кроме того неоновые лампы являлись неотъемлемой частью амплитудных селекторов. На неонках проще всего собирать всякие мигалки, с периодом даже в несколько секунд. Достаточно только подобрать резистор и конденсатор соответствующих номиналов.
Схема регулятора мощности на симисторе с неоновой лампочкой показана на рисунке 2.
Рисунок 2.
Конденсатор C1 заряжается от сети через нагрузку Rн и резисторы R1…R3. Когда напряжение на конденсаторе достигает напряжения зажигания неоновой лампы HL1, лампа зажигается, и конденсатор C1 разряжается по цепи R3, HL1, управляющий электрод - катод симистора VS1, что приводит к открыванию симистора. Резистором R1 можно изменять скорость заряда конденсатора C1, а следовательно и фазу открытия симистора.
Но неоновая лампа по нынешним временам это чистой воды экзотика. То же самое можно сказать о транзисторах КТ117 и динисторах КН102. Современная электронная промышленность предлагает для подобных целей двухполярный DB3.
Логика работы динистора предельно проста: при включении в электрическую цепь динистор закрыт. При увеличении напряжения до определенной величины (напряжение открытия) динистор открывается и проводит ток. Ну, в точности, как неоновая лампа. При этом необходимо подать напряжение в определенной полярности, как у диода.
Внутри DB3 спрятано два динистора, включенных встречно - параллельно, что позволяет применять его в цепях переменного тока. И не надо следить за соблюдением полярности, DB3 сам определит, что ему надо делать. Срабатывает DB3 при напряжении порядка 32…33В, при этом прямой ток может достигать 2А. Основное назначение этого скромного радиоэлемента - цепи запуска , а также энергосберегающих ламп или по-другому КЛЛ. Именно из плат неисправных КЛЛ, которые удается отремонтировать не всегда, и добываются динисторы DB3.
Совсем немного деталей потребуется для создания регулятора на базе динистора DB3. Схема регулятора показана на рисунке 3.
Рисунок 3. Схема реглятора на базе динистора
Схема очень похожа на схему с неоновой лампой, поэтому в особых объяснениях не нуждается. Как только напряжение на конденсаторе C1 достигнет напряжения срабатывания динистора T2, последний открывается и конденсатор разряжается на управляющий электрод симистора T1, симистор открывается и пропускает ток в нагрузку. Фаза управляющего импульса зависит от скорости заряда конденсатора C1, которая регулируется переменным резистором R1.
Но электронная техника не стоит на месте, совершенствуются не только телевизоры и компьютеры. Фазовые регуляторы мощности теперь выпускаются в виде интегральных микросхем. Достаточно популярна в среде радиолюбителей микросхема фазового регулятора мощности , типовая схема включения которой, показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Типовая схема включения микросхемы фазового регулятора мощности КР1182ПМ1
Микросхема выполнена в пластиковом корпусе DIP-16. Всего несколько деталей превращают ее в фазовый регулятор мощности. Максимальная регулируемая мощность не должна превышать 150Вт. При этом даже не требуется устанавливать микросхему на радиатор. Допускается параллельное соединение микросхем, - просто тупо один корпус ставится поверх другого, и каждый вывод верхней микросхемы припаивается к одноименному выводу нижней. Внешних деталей остается ровно столько, как показано на схеме.
Для управления работой микросхемы служат выводы 3 и 6. К ним подключается переменный резистор R1, регулирующий мощность. Сюда же подключается контакт SA1, при замыкании которого нагрузка отключается.
Около выводов 3 и 6 можно заметить маркировку C- и C+. Именно в такой полярности можно достаточно большой емкости (примерно 200…500мкФ), что при размыкании контакта SA1 обеспечит плавное включение нагрузки, причем до того уровня, который был установлен переменным резистором R1. Такой алгоритм управления очень полезен для ламп накаливания.
Конечно, существуют еще и другие типы регуляторов мощности, работающие по иным алгоритмам. Все чаще встречаются схемы, . Но в одной статье обо всем рассказать невозможно.
Устройства, позволяющие управлять работой электрических приборов, подстраивая их под оптимальные характеристики для пользователя, прочно вошли в обиход. Одним из таких приспособлений является регулятор мощности. Применение таких регуляторов востребовано при использовании электронагревательных и осветительных приборов и в устройствах с двигателями. Схемотехника регуляторов разнообразна, поэтому порой бывает затруднительно подобрать себе оптимальный вариант.
Простейший регулятор энергии
Первые разработки устройств, изменяющие подводимую к нагрузке мощность, были основаны на законе Ома: электрическая мощность равняется произведению тока на напряжение или произведению сопротивления на ток в квадрате. На этом принципе и сконструирован прибор, получивший название - реостат. Он располагается как последовательно, так и параллельно подключённой нагрузке. Изменяя его сопротивление, регулируется и мощность.
Ток, поступая на реостат, разделяется между ним и нагрузкой. При последовательном включении контролируются сила тока и напряжение, а при параллельном — только значение разности потенциалов. В зависимости от материала, из которого изготовлено сопротивление, реостаты могут быть:
Согласно закону сохранения энергии, забранная электрическая энергия не может просто исчезнуть, поэтому в резисторах мощность преобразуется в теплоту, и при большом её значении должна от них отводиться. Для обеспечения отвода используется охлаждение, которое выполняется с помощью обдува или погружением реостата в масло.
Реостат — довольно универсальное приспособление . Единственный, но существенный его минус — это выделение тепла, что не позволяет выполнить устройство с небольшими размерами при необходимости пропускать через него мощность большой величины. Управляя силой тока и напряжения, реостат часто используется в маломощных линиях бытовых приборов. Например, в аудиоаппаратуре для регулировки громкости. Выполнить такой регулятор тока своими руками совсем несложно, в большей мере это касается проволочного реостата.
Для его изготовления понадобится константовая или нихромовая проволока, которая наматывается на оправку. Регулирование электрической мощности происходит путём изменения длины проволоки.
Виды современных устройств
Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.
На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:
При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:
- плавность регулировки;
- рабочую и пиковую подводимую мощность;
- диапазон входного рабочего сигнала;
Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.
Тиристорный прибор управления
Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.
Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.
Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.
Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.
Симисторный преобразователь мощности
Симистор - полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях . Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.
Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.
Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.
Фазовый способ трансформации
Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.
Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.
Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.
Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.
Доминирующая схема
Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.
Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.
При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.
В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.
Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.
Контроллер нагрева паяльника
Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.
Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.
Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г .
Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.
Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.
Данный регулятор напряжения собирался мной для использования в различных направлениях: регулирование скорости вращения двигателя, изменение температуры нагрева паяльника и т.д. Возможно название статьи покажется не совсем корректным, и эта схема иногда встречается как , но тут надо понимать, что по сути происходит регулировка фазы. То есть времени, в течении которого сетевая полуволна проходит в нагрузку. И с одной стороны регулируется напряжение (через скважность импульса), а с другой - мощность, выделяемая на нагрузке.
Следует учесть, что наиболее эффективно данный прибор будет справляться с резистивной нагрузкой – лампы, нагреватели и т.д. Потребители тока индуктивного характера тоже можно подключать, но при слишком малой его величине надёжность регулировки снизится.
Схема данного самодельного тиристорного регулятора не содержит дефицитных деталей. При использовании, указанных на схеме выпрямительных диодов, прибор может выдержать нагрузку до 5А (примерно 1 кВт) с учетом наличия радиаторов.
Для увеличения мощности подключаемого устройства нужно использовать другие диоды или диодные сборки, рассчитанные на необходимый вам ток.
Так-же нужно заменять и тиристор, ведь КУ202 рассчитан на предельный ток до 10А. Из более мощных рекомендуются отечественные тиристоры серии Т122, Т132, Т142 и другие аналогичные.
Деталей в не так уж и много, в принципе допустим навесной монтаж, однако на печатной плате конструкция будет смотреться красивее и удобнее. Рисунок платы в формате LAY . Стабилитрон Д814Г меняется на любой, с напряжением 12-15В.
В качестве корпуса использовал первый попавшийся - подходящий по размерам. Для подключения нагрузки вывел наружу разъем для вилки. Регулятор работает надежно и действительно изменяет напряжение от 0 до 220 В. Автор конструкции: SssaHeKkk.
Обсудить статью ТИРИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Тиристорные регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 - 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.
И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.
Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.
И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.
Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Тиристор
Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на . Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.
Рисунок 2.
Как включить светодиод
Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.
Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.
Нажали - отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.
Маленькое замечание
Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.
Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.
Как закрыть тиристор
Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод - катод.
Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.
Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего - лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.
Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.
Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.
Третий способ выключения тиристора
Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.
При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.
Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование
Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Фазовое регулирование
В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).
Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.
На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.
На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.
Схемы включения тиристоров
После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности . Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов . При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.
Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.
Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно - параллельное включение тиристоров, или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.
Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.
Простейший тиристорный регулятор
Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности
Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.
Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.
К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.
Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.
Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности
Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.
Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.
Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.
Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.
На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.
Рисунок 6.
Содержание:
Напряжение – это фактически и есть электричество. Оно существует как первородная сила, воздействие которой на любые объекты влечет за собой последствия, обусловленные их свойствами. Поэтому возможность управлять напряжением, его величиной означает влиять на ход множества процессов в электрических цепях. А это самое главное в прикладной электротехнике. Далее расскажем о том, как управлять электричеством, пользуясь тиристором.
Такие разные напряжения
Напряжение может быть с разными свойствами. Поэтому даже законы, описывающие те или иные явления, связанные с электричеством, ограничены в применении. Например, закон Ома для участка цепи. И таких примеров множество. Поэтому, оговаривая свойства электрического регулятора, необходимо точно указывать, какое именно напряжение подразумевается, В общем рассматриваются две главные его разновидности – постоянное и переменное.
Они, как начало и конец некоего интервала, внутри которого расположены в огромном разнообразии импульсные сигналы. И ранее, и сейчас, и, скорее всего, в будущем регулировать величину их всех может лишь один элемент – резистор. То есть регулируемый резистор – реостат. Он всегда обеспечивает один и тот же эффект, независимо от вида напряжения. Причем в любой момент времени. А момент времени применительно к переменному или импульсному сигналу, – это основа его определения.
Какое напряжение регулирует тиристор
Ведь в зависимости от него величина напряжения меняется. Резистором можно управлять сигналом в любой момент времени. А вот тиристором такой результат невозможно получить, потому что он ключ. У него только два состояния:
- с минимальным сопротивлением, когда ключ замкнут;
- с максимальным сопротивлением, когда ключ разомкнут.
Следовательно, тиристор для мгновенного значения напряжения не может рассматриваться как его регулятор. Только в пределах достаточно большого интервала времени, при котором учитываются многие мгновенные значения сигнала, тиристор может рассматриваться как регулятор напряжения. Поскольку такая величина именуется как действующее значение, будет правильным уточнить определение регулятора как
- тиристорный регулятор действующего напряжения.
Как соединить ключ и нагрузку
Наиболее привлекательной характеристикой тиристоров с самого начала их появления была стойкость к силе тока большой величины. Как следствие, эти полупроводниковые приборы нашли широкое применение во множестве мощных устройств. Однако в любом случае, когда рассматривается электрический регулятор, существует электрическая цепь с нагрузкой. В эквиваленте нагрузка представляется как резистор с некоторым импедансом.
Чтобы напряжение на этом резисторе изменилось, необходимы дополнительные элементы, которые соединены с ним либо последовательно, либо параллельно. Первые тиристоры были незапираемыми. Их можно было открыть (включить) в любой момент. Но для выключения необходимо было уменьшить силу тока до некоторого минимального значения. По этой причине незапираемые тиристоры применяются и по сей день лишь в электрических цепях переменного или выпрямленного тока.
На постоянном напряжении они тоже использовались, но весьма ограниченно. Например, в первых фотовспышках с управляемой силой света. Свет лампы фотовспышки, который путем управления тиристором формирует необходимое освещение объекта, дает наглядное представление о тиристоре как об электрическом регуляторе для лампы – нагрузки. Энергию для этого обеспечивал конденсатор, который разряжался через специальную лампу. И в этом случае получалась вспышка наибольшей силы.
Но для того чтобы лампа давала меньше света, параллельно с ней включался тиристор. Лампа включалась и освещала объект. А специальный оптический датчик со схемой управления следил за его характеристиками. И в нужный момент включал тиристор. Он шунтировал лампу, которая выключалась со скоростью срабатывания тиристора. При этом часть энергии конденсатора просто исчезала в виде тепла, не принося никакой пользы. Но в то время иначе и не могло быть – запираемых тиристоров еще не было.
Типы тиристоров и отличия схем для их использования
Тиристор запирался, поскольку зарядный ток конденсатора был подобран с учетом этого. Безусловно, схема с последовательным соединением тиристора и нагрузки существенно эффективнее. И она широко применяется. Все диммеры, которыми пользуются для управления освещением и электробытовыми приборами, работают по такой схеме. Но в них могут быть существенные отличия в связи с типом используемого тиристора. Схема с симметричным тиристором, который работоспособен на переменном напряжении при непосредственном соединении с нагрузкой, получается более простой.
Но если сравнивать симметричные тиристоры с обычными, пропускающими ток в одном направлении, сразу обращает на себя внимание заметно более широкий модельный ряд последних. К тому же предельные электрические параметры у них заметно больше. Но при этом обязательно наличие выпрямителя. Если регулируется сеть 220 В, необходим выпрямительный мост, в котором 4 мощных диода. Но каждый полупроводниковый прибор, независимо от того, транзистор это, тиристор или диод, характеризуется остаточным напряжением.
Оно мало изменяется в соответствии с силой тока, протекающего через него. И при этом на каждом из полупроводниковых приборов рассеивается тепло. Если токи достигают единиц ампер, тепловая мощность составит единицы ватт. Потребуются охлаждающие радиаторы. А это – ухудшение конструктивных показателей. Поэтому симисторные регуляторы более компактны и экономичны. Чтобы отказаться от выпрямительного моста, применяют схему из двух одинаковых тиристоров, соединенных параллельно и встречно.
Безусловно, это более экономичное решение относительно потерь. Однако у ключей должны быть соответствующие предельные обратные напряжения. А это значительно ограничивает число их моделей, пригодных для этой схемы. К тому же, получить симметричные полуволны, управляя двумя ключами, сложнее, чем при одном тиристоре. Но при большой силе тока, которая в промышленных установках может составлять сотни ампер и более на включенном тиристоре, рассеивается мощность в сотни ватт. Динамические потери еще больше разогревают ключи.
По этой причине уменьшение числа полупроводниковых приборов в мощных электрических регуляторах – это важнейшая задача. Далее на изображениях показаны промышленные тиристорные регуляторы напряжения. В современном ассортименте тиристоров среди моделей, выпускаемых серийно, присутствуют запираемые ключи. Они могут быть использованы в цепях постоянного тока.
Поэтому задачи регулирования напряжения в тысячи вольт при мощностях, величина которых измеряется мегаваттами, сегодня успешно решаются различными моделями тиристоров.
