Управление мощными тиристорами через импульсный трансформатор

Способы и схемы управления тиристором или симистором

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Содержание статьи

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Источник

Управление мощными тиристорами через импульсный трансформатор

С.Ю. Стебенев, г. Луганск РА 6’2007
Схем управления тиристорами и симисторами существует много, очень короткий список наиболее интересных из них приведен в [1 —6]. Проблемы, о которых говорится в статье, присущи обоим типам электронных приборов, поэтому далее в тексте указывается один из них. Самые простые тиристорные регуляторы состоят из 3-5 деталей [1], сложные могут содержать до десятка цифровых и аналоговых микросхем [4]. В быту тиристорные регуляторы применяются в зарядных устройствах, для регулирования освещенности, мощности нагревательных приборов, температуры жала паяльника и т.д.

В промышленности, в основном нашли применение 3-фазные регуляторы. Используются они как возбудители для мощных синхронных двигателей, регулируемые выпрямители в гальванике, мощные зарядные устройства, схемы питания электроприводов постоянного тока, а также на электротранспорте. При всем многообразии схем и решений можно отметить следующее: работоспособны все схемы, начиная с самых простых.
Существуют некоторые задачи, с которыми простые схемы управления не справляются, устройство в целом начинает вести себя непредсказуемо. Связано такое поведение с видом и характером нагрузки, мощность в которой пытаются регулировать. Например, схемы [2, 6] прекрасно работали с электроплиткой и настольным светильником, но очень плохо — с электроинструментом и при попытке регулировать сварочный ток (по первичной обмотке сварочного трансформатора). В первом случае, намоточный станок на базе старой электродрели при попытке регулировки оборотов начинал работать неустойчиво (с ощутимыми рывками), во втором — сварочный ток не регулировался, так как не удавалось зажечь нормальную дугу (сам сварочный аппарат обладал «мягкой» характеристикой, без регулятора
прекрасно варил). Собранные по предлагаемой схеме регуляторы, справились с этими задачами.
Электрическая принципиальная схема устройства (рис.1)

состоит из формирователя пилообразного напряжения, каскада сравнения и генератора управляющих импульсов. Режим по постоянному току каскада на VT1 выбран так, что на его коллекторе появляются положительные импульсы длительностью около 0,5 мс в каждый момент перехода сетевого напряжения через нуль. Транзистор VT2 разрядный, на конденсаторе С2 при его заряде через R5 формируется напряжение, близкое к пилообразному (экспоненциальное). Каждые 10 мс транзистор VT2, открываясь, разряжает конденсатор С2. Генератор управляющих импульсов собран на транзисторе VT3 по схеме блокинг-генератора. В отличие от классической схемы в данном блокинг-генераторе на импульсном трансформаторе прибавилась дополнительная обмотка 1а. Благодаря этому появилась возможность управлять работой генератора. Выводы обмоток трансформатора Т1 сфазированы так, что блокинг-генератор вырабатывает управляющие импульсы в те моменты, когда на аноде VD7 напряжение выше, чем на аноде VD6. С помощью резистора R6 можно задавать напряжение на аноде VD6 и тем самым изменять момент включения тиристора. С выходной обмотки 3 пачки управляющих импульсов с частотой заполнения около 2 кГц поступают на управляющий электрод тиристора, обеспечивая его надежное отпирание, независимо от характера нагрузки. Осциллограммы в основных точках схемы показаны на рис.2.

О преимуществах многоимпульсного управления пишется, например в [3, 4]. Тиристор и симистор не являются полностью управляемыми приборами, они открываются управляющим импульсом, если в это же время к катоду и аноду
приложено напряжение, отличное от нуля (для тиристора еще и в прямой полярности), закрываются приборы самостоятельно, в момент, когда исчезает напряжение между анодом и катодом. В этой особенности
данных приборов и заключается возможная нестабильность работы схем регуляторов. При работе на чисто активную нагрузку проблем не возникает даже в самых простых схемах. Картина меняется, когда к регулятору подключают нагрузку с прерывистым характером (коллекторный электродвигатель).
В зависимости от физического состояния коллекторного и щеточного узлов двигателя при его работе ток в якорной цепи может прерываться, тиристор в данном случае самостоятельно выключится до окончания текущего полупериода питающего напряжения. Произвольное неуправляемое выключение не позволяет поддерживать заданный режим работы. В такой ситуации выручает многоимпульсное управление, генератор управляющих импульсов выдает не один управляющий импульс, как в большинстве известных простых схем управления, а пачку импульсов с частотой заполнения 2. 4 кГц. При таком способе управления силовой ключ открывается первым импульсом из пачки, если ток в цепи прервется и тиристор отключится до окончания текущего полупериода, он вновь будет включен ближайшим, последующим в пачке управляющим импульсом.
Схожая картина происходит при работе тиристорных регуляторов на индуктивную нагрузку (например, первичная обмотка сварочного трансформатора). При этом в момент включения тиристора в обмотке трансформатора происходит переходной колебательный процесс, который также может вызвать преждевременное отключение тиристора (проявляется не всегда, зависит от конструкции трансформатора, установленного угла включения тиристора и даже от характера нагрузки во вторичной обмотке). Многоимпульсное управление помогает и в этом случае.
Конструкция и детали
Схема собрана на плате из одностороннего стеклотекстолита (рис.3).

К деталям особых требований не предъявляется. Единственная нестандартная деталь — это импульсный трансформатор. Трансформатор намотан на броневом сердечнике Б26, феррит 2000НН. Обмотки 1а, 1б содержат по 40 витков ПЭЛ 0,2, намотанных в два провода. Обмотка 2 содержит 40 витков ПЭЛ 0,3, мотать обмотку нужно так, чтобы ее выводы расположились против выводов обмоток 1 а, 1б. Обмотку 3 наматывают поверх остальных, она содержит 50 витков ПЭЛ 0,2. Если схема будет применена в выпрямителе или регуляторе с двумя тиристорами, понадобится еще одна такая же обмотка. Намотка равномерная. При намотке, разнополярные выводы обмоток лучше делать разной длины (например, все выводы начала -короче). При сборке это поможет правильно распаять выводы трансформатора. Светодиод LED1 импортный диаметром 3 мм красного цвета свечения, он сигнализирует о включении схемы в сеть. Симистор, один или два тиристора, выбирают исходя из конкретного применения схемы. Для проверки возможностей данной схемы она испытана с симисторами КУ208А, ТС122-25, ТС142-80. Замечаний по работе во всех трех вариантах не было. Переменный резистор любого типа, желательно группы «А». Резистор R1 импортный, можно установить МЛТ-2, отформовав выводы.
Настройка
Если монтаж произведен без ошибок, все детали исправны и импульсный трансформатор подключен правильно, схема в настройке не нуждается. Необходимо помнить, что симистор открывается управляющими импульсами отрицательной полярности при любой полярности напряжения, приложенного к катоду и аноду. Если данная схема будет использоваться для управления тиристором, выводы от точек «а» и «б» необходимо поменять местами («б» — к управляющему электроду, «а» — к катоду тиристора). При правильной работе схемы напряжение на нагрузке плавно изменяется от 0 до максимального значения, при изменении положения движка R6 из крайнего верхнего положения в крайнее нижнее по электрической схеме.
Литература
1. Щербатюк В. Заворачиваем шурупы электродрелью//Радиолюбитель. — 1999. — №9. — С.23.
2. Глухов В. Вертикальное управление тринистором//Радио. -1981- №5-6. — С. 70.
3. Шичков Л. Блок управления тиристорами//Радио. -1982. -№10. -С.22-24.
4. Шичков Л., Алексеев А. Цифровой тиристорный регулятор/f/Радио. — 1986. — №8. — С.56-58.
5. Черный В. Симисторный регулятор мощности/’/Радио. -1986. -№8. -С.20.
6. Приймак Д. Низковольтный тринисторный регулятор//Радио. — 1989. — №5. — С. 78-80.

Оставлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи

Источник

Читайте также:  Справочник по всем трансформаторам
Оцените статью
Adblock
detector