Для включения и отключения нагрузки (ламп накаливания, обмоток реле, электродвигателей и т.п.) зачастую используют тиристоры. Особенность этого вида полупроводниковых приборов и основное их отличие от транзисторов заключается в том, что они обладают двумя устойчивыми состояниями, без каких-либо промежуточных.
Это состояние «включено», когда сопротивление полупроводникового прибора минимально, и состояние «выключено», когда сопротивление тиристора максимально. В идеале эти сопротивления приближаются к нулю или бесконечности.
Для включения тиристора на его управляющий электрод достаточно хотя бы кратковременно подать управляющее напряжение. Отключить тиристор (запереть) можно кратковременным выключением питания тиристора, сменой полярности питающего напряжения либо уменьшением тока в нагрузке ниже тока удержания тиристора.
Обычно включают и отключают тиристорные коммутаторы двумя кнопками. Значительно меньшее распространение получили однокнопочные схемы управления тиристорами.
Здесь подробно рассмотрены методы однокнопочного управления тиристорными коммутаторами. Принцип работы тиристорных однокнопочных управляющих устройств основан на динамических зарядно-разрядных процессах в цепи управления тиристора .
Схема однокнопочного управления тиристором
На рисунке 1 показана одна из простейших схем однокнопочного управления тиристорным коммутатором. В схеме (здесь и далее) используют кнопки без фиксации положения. В исходном состоянии нормально замкнутые контакты кнопки шунтируют цепь управления тиристором.
Сопротивление тиристора максимально, ток через нагрузку не протекает. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме на рис. 1, рассмотрены на рис. 2.
Для включения тиристора (ON) нажимают на кнопку SB1. При этом нагрузка оказывается подключенной к источнику питания через контакты кнопки SB1, а конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания.
Скорость заряда конденсатора определяется постоянной времени цепи R1C1 (см. диаграмму). После того как кнопку отпустят, конденсатор С1 разряжается на управляющий электрод тиристора. Если напряжение на нем равно или превышает напряжение включения тиристора, тиристор отпирается.
Рис. 1. Принципиальная схема управления тиристором с помощью одной кнопки.
Рис. 2. Диаграммы основных процессов, протекающих в схеме с тиристором.
Отключить нагрузку (OFF) можно кратковременным нажатием на кнопку SB1. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. Поскольку контакты кнопки шунтируют электроды тиристора (анод — катод), это равноценно отключению источника питания тиристора. В результате нагрузка будет отключена.
Следовательно, для включения нагрузки необходимо с большей продолжительностью нажать на управляющую кнопку, для отключения — еще раз кратковременно нажать ту же кнопку.
Простые силовые ключи на тиристорах
На рис. 3 и 4 показаны варианты схемной идеи, представленной на рис. 1. На рис. 3 использована цепочка последовательно соединенных диодов VD1 и VD2 для ограничения максимального напряжения заряда конденсатора.
Рис. 3. Вариант схемы управления тиристором одной кнопкой.
Это позволило заметно снизить рабочее напряжение (до 1,5...3 В) и емкость конденсатора С1. В следующей схеме (рис. 4) резистор R1 включен последовательно с нагрузкой, что позволяет создать двухполюсный коммутатор нагрузки. Сопротивление нагрузки должно быть намного ниже, чем сопротивление R1.
Рис. 4. Схема электронного ключа на тиристоре с последовательным подключением нагрузки.
Тиристорный коммутатор с двумя кнопками
Тиристорное устройство управления нагрузкой (рис. 5) может быть использовано для включения и выключения нагрузки любой из нескольких последовательно включенных кнопок, работающих на разрыв цепи. Принцип действия тиристорного коммутатора заключается в следующем.
При включении устройства напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора, недостаточно для его включения. Тиристор, и, соответственно, нагрузка отключены. При нажатии на любую из кнопок SB1 — SBn (и удержании ее нажатой) конденсатор С1 заряжается через резистор R1 от источника питания. Цепь управления тиристора и сам тиристор при этом отключены.
Рис. 5. Схема простого тиристорного коммутатора нагрузки с двумя кнопками.
После отпускания кнопки и восстановления цепи питания тиристора накопленная конденсатором С1 энергия оказывается приложенной к управляющему электроду тиристора. В результате разряда конденсатора через управляющий электрод тиристор включается, подсоединяя тем самым нагрузку к цепи питания.
Для отключения тиристора (и нагрузки) кратковременно нажимают на любую из кнопок SB1 — SBn. При этом конденсатор С1 не успевает зарядиться. В то же время цепь питания тиристора размыкается, тиристор запирается.
Величина резистора R2 зависит от напряжения питания устройства: при напряжении 15 В его сопротивление — 10 кОм при 9 В — 3,3 кОм при 5 6-1,2 кОм.
Схема с эквивалентом тиристора на транзисторах
При использовании вместо тиристора его транзисторного аналога (рис. 6) величина этого резистора меняется, соответственно, от 240 кОм (15 В) до 16 кОм (9 В) и до 4,7 кОм (5 В).
Рис. 6. Схема электронного коммутатора нагрузки с транзисторным эквивалентом тиристора.
Аналог многокнопочного переключателя на тиристорах
Тиристорное устройство, позволяющее создать аналог многокнопочного переключателя с зависимой фиксацией положения и использующее для управления кнопочные элементы, работающие без фиксации, показано на рис. 7. В схеме может быть использовано несколько тиристоров, однако, для упрощения схемы, на рисунке показано лишь два канала. Другие каналы коммутации могут быть подключены аналогично предыдущим.
Рис. 7. Принципиальная схема аналога многокнопочного переключателя с использованием тиристоров.
В исходном состоянии тиристоры заперты. При нажатии на кнопку управления, например, кнопку SB1, конденсатор С1 относительно большой емкости оказывается подключенным к источнику питания через диоды VD1 — VDm и сопротивления нагрузки всех каналов.
В результате заряда конденсатора возникает импульс тока, приводящий к кратковременному замыканию анодов всех тиристоров через соответствующие диоды VD1 — VDm на общую шину.
Любой из тиристоров, если он был включен, отключается. В то же время конденсатор накапливает энергию. После отпускания кнопки конденсатор разряжается на управляющий электрод тиристора, отпирая его.
Для включения любого другого канала нажимают соответствующую кнопку. Происходит отключение (сброс) ранее задействованной нагрузки и включение новой нагрузки. В схеме предусмотрена кнопка SB0 общего отключения всех нагрузок.
Многокнопочный переключатель с транзисторным аналогом тиристоров
Вариант схемы, выполненный на транзисторных аналогах тиристоров и диодно-емкостных зарядных цепочках с использованием малогабаритных конденсаторов, показан на рис. 8, 9.
Рис. 8. Схема эквивалентной замены тиристора транзисторами.
В схеме предусмотрена светодиодная индикация включенного канала. В этой связи максимальный ток нагрузки каждого из каналов ограничен значением 20 мА.
Рис. 9. Схема многокнопочного переключателя с транзисторным аналогом тиристоров.
Устройства, аналогичные представленным на рис. 7 - 9, а также на рис. 10 - 12, можно использовать для систем выбора программ радио- и телеприемников.
Недостатком схемных решений (рис. 7 - 9) является то, что в момент нажатия на любую из кнопок все нагрузки оказываются хотя бы на мгновение подключенными к источнику питания.
Схемы многопозиционных переключателей
На рис. 10 и 11 показан тиристорный коммутатор разрывного типа с неограниченным количеством последовательно включенных элементов.
При нажатии на одну из кнопок управления цепь питания аналогов тиристоров размыкается по постоянному току. Конденсатор С1 оказывается включенным последовательно с аналогом тиристора.
Рис. 10. Схема базового элемента для самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.
Рис. 11. Принципиальная схема самодельного многопозиционного коммутатора нагрузки.
Одновременно управляющее напряжение (нулевого уровня) через задействованную кнопку и резистор R2 (рис. 10) подается на управляющий электрод аналога тиристора.
Поскольку в первые мгновения при нажатии кнопки последовательно с аналогом тиристора оказывается включенным полностью разряженный конденсатор, такое включение равносильно короткому замыканию в цепи питания соответствующего тиристора. Следовательно, тиристор отпирается, включая тем самым соответствующую нагрузку.
При нажатии на любую другую кнопку ранее задействованный канал отключается, и включается другой канал. При длительном (порядка 2 сек) нажатии на любую из кнопок конденсатор С1 заряжается, что равнозначно размыканию цепи и приводит к запиранию всех тиристоров.
Схема усовершенствованного электронного переключателя
Рис. 12. Принципиальная схема тиристорного коммутатора для множества нагрузок.
В ряду тиристорных коммутаторов наиболее совершенной представляется схема, показанная на рис. 12. При нажатии кнопки управления возникает бросок тока, эквивалентный короткому замыканию.
Происходит отключение ранее задействованных тиристоров и включение тиристора, соответствующего нажатой кнопке. В схеме предусмотрена светодиодная индикация задействованного канала, а также кнопка общего сброса.
Вместо конденсаторов большой емкости могут быть использованы диодно-конденсаторные цепочки (рис. 12). Принцип действия схемы сохраняется. В качестве нагрузки можно использовать низковольтные реле, например, РМК 11105 сопротивлением 350 Ом на рабочее напряжение 5 В.
Резистор R1 ограничивает ток короткого замыкания и ток максимального потребления величиной 10... 12 мА. Количество каналов коммутации не ограничено.
Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год.
В. Крылов
В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.
На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ - открытому.
При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).
Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода - динистора.
Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод - катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.
При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.
Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.
Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.
Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 - график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.
На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К - максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр- внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.
Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.
После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.
Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.
Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.
Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.
В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.
Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе - большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.
Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста - регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.
Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.
При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.
Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.
Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.
На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.
При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.
Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.
Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:
изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),
изменением его начального уровня (2б) и
изменением величины постоянного напряжения (1а).
На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.
Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.
На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 - Д4).
Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).
При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.
Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.
Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.
Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.
В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).
Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.
Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.
На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.
В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.
Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.
Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б - по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.
Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.
Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4- R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».
В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.
♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .
За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0
.
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б)
с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.
Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.
В момент фазового угла:
- α = 0° напряжения U = 0 ;
- α = 90° напряжение U = +Umax ;
- α=180° напряжение U = 0 ;
- α = 270° напряжение U = — Umax ;
- α = 360° напряжение U = 0.
♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт)
и непроводящее состояние (закрыт)
.
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2
.
♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.
С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл
тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3)
.
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.
♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.
фазовым методом .
♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.
Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом
.
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.
Фазовый метод управления тиристором.
♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.
После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2
♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс
, от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп
по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс
растет и ток управления Iуп
(управляющий электрод — катод).
При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.
Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0
вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс
сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.
♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться
с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.
Проведем небольшие вычисления для примера рис.3
. Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н
ток включения Iвкл = 100 мА
. В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА,
в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА
.
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1
. Для разных значений резистора R1
, будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:
1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.
Фазовый угол α
изменяется в пределах от а = 10, до а = 90
градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.
♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90°
.
То есть, в пределах от 90% до 50%
мощности выделяемой на нагрузке.
Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).
Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С
.
Если поставить конденсатор С
(в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5
.
Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.
Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.
Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120
градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ
).
Мощность нагрузки будет изменяться приблизительно от 80% до 30%.
Разумеется, все приведенные расчеты весьма приблизительны, но общие рассуждения верны.
Все выше приведенные эпюры напряжений, в разные временные значения, хорошо просматривались на экране осциллографа.
У кого есть осциллограф, можно посмотреть самому
Иногда нужно слабым сигналом с микроконтроллера включить мощную нагрузку, например лампу в комнате. Особенно эта проблема актуальна перед разработчиками умного дома . Первое что приходит на ум — реле . Но не спешите, есть способ лучше:)
В самом деле, реле это же сплошной гемор. Во первых они дорогие, во вторых, чтобы запитать обмотку реле нужен усиливающий транзистор, так как слабая ножка микроконтроллера не способна на такой подвиг. Ну, а в третьих, любое реле это весьма громоздкая конструкция, особенно если это силовое реле, расчитанное на большой ток.
Если речь идет о переменном токе, то лучше использовать симисторы или тиристоры . Что это такое? А сейчас расскажу.
Если на пальцах, то тиристор
похож на диод
, даже обозначение сходное. Пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую. Но есть у него одна особенность, отличающая его от диода кардинально — управляющий вход
.
Если на управляющий вход не подать ток открытия
, то тиристор
не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется
. Полярность управляющего напряжения предпочтительно должна совпадать с полярностью напряжения на аноде.
Если соединить встречно параллельно два тиристора , то получится симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.
На положительной полуволне синусоиды пропускает один, на отрицательной другой. Причем пропускают только при наличии управляющего сигнала. Если сигнал управления снять, то на следующем же периоде оба тиристора заткнутся и цепь оборвется. Крастота да и только. Вот ее и надо использовать для управления бытовой нагрузкой.
Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный
, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку
. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение
. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер MOC3041
. Замечательная вещь!
Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке.
Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.
Вообще, можно и без развязки и тоже будет работать, но за хороший тон считается всегда делать потенциальную развязку между силовой и управляющей частью. Это и надежность и безопасность всей системы. Промышленные решения так просто набиты оптопарами или всякими изолирующими усилителями.
— устройство, обладающее свойствами полупроводника, в основе конструкции которого лежит монокристаллический полупроводник, имеющий три или больше p-n-переходов.
Его работа подразумевает наличие двух стабильных фаз:
- «закрытая» (уровень проводимости низкий);
- «открытая» (уровень проводимости высоки).
Тиристоры — устройства, выполняющие функции силовых электронных ключей. Другое их наименование — однооперационные тиристоры. Данный прибор позволяет осуществлять регуляцию воздействия мощных нагрузок посредством незначительных импульсов.
Согласно вольт-амперной характеристике тиристора, увеличение силы тока в нём будет провоцировать снижение напряжения, то есть появится отрицательное дифференциальное сопротивление.
Кроме того, эти полупроводниковые устройства могут объединять цепи с напряжением до 5000 Вольт и силой тока до 5000 Ампер (при частоте не более 1000 Гц).
Тиристоры с двумя и тремя выводами пригодны для работы как с постоянным, так и с переменным током. Наиболее часто принцип их действия сравнивается с работой ректификационного диода и считается, что они являются полноценным аналогом выпрямителя, в некотором смысле даже более эффективным.
Разновидности тиристоров отличаются между собой:
- Способом управления.
- Проводимостью (односторонняя или двусторонняя).
Общие принципы управление
В структуре тиристора имеется 4 полупроводниковых слоя в последовательном соединении (p-n-p-n). Контакт, подведённый к наружному p-слою — анод, к наружному n-слою — катод. Как результат, при стандартной сборке в тиристоре максимально может быть два управляющих электрода, которые крепятся к внутренним слоям. Соответственно подключённому слою проводники, по типу управления устройства делятся на катодные и анодные. Чаще используется первая разновидность.
Ток в тиристорах течёт в сторону катода (от анода), поэтому соединение с источником тока осуществляет между анодом и плюсовым зажимом, а также между катодом и минусовым зажимом.
Тиристоры с управляющим электродом могут быть:
- Запираемыми;
- Незапираемыми.
Показательным свойством незапираемых приборов является отсутствие у них реакции на сигнал с управляющего электрода. Единственный способ закрыть их — снизить уровень протекающего сквозь них тока так, чтобы он уступал силе тока удержания.
Управляя тиристором следует учитывать некоторые моменты. Устройство данного типа сменяет фазы работы с «выключен» на «включён» и обратно скачкообразно и только при условии внешнего воздействия: при помощи тока (манипуляции с напряжением) или фотонов (в случаях с фототиристором).
Чтобы разобраться в данном моменте необходимо помнить, что у тиристора преимущественно имеется 3 вывода (тринистор): анод, катод и управляющий электрод.
Уэ (управляющий электрод) как раз таки и отвечает за то, чтобы включать и выключать тиристор. Открытие тиристора происходит при условии, что приложенное напряжение между А (анодом) и К (катодом) становится равным или превосходит объём напряжения работы тринистора. Правда, во втором случае потребуется воздействие импульса положительной полярности между Уэ и К.
При постоянной подаче питающего напряжения тиристор может быть открыт бесконечно долго.
Чтобы перевести его в закрытое состояние, можно:
- Снизить уровень напряжения между А и К до нуля;
- Понизить значение А-тока таким образом, чтобы показатели силы тока удержания оказались больше;
- Если работа цепи построена на действии переменного тока, выключение прибора произойдёт без постороннего вмешательства, когда уровень тока сам снизится до нулевого показания;
- Подать запирающее напряжение на Уэ (актуально только в отношении запираемых разновидностей полупроводниковых устройств).
Состояние закрытости тоже длится бесконечно долго, пока не возникнет запускающий импульс.
Конкретные способы управления
- Амплитудный .
Представляет собой подачу положительного напряжения изменяющейся величины на Уэ. Открытие тиристора происходит, когда величины напряжения довольно, чтобы пробиться через управляющий переход тока спрямления (Iспр.). При помощи изменения величины напряжения на Уэ, появляется возможность изменения времени открытия тиристора.
Главный недочёт этого метода — сильное влияние температурного фактора. Кроме того, для каждой разновидности тиристора потребуется резистор другого вида. Этот момент не добавляет удобства в эксплуатации. Помимо этого время открытия тиристора возможно корректировать лишь пока длится первая 1/2 положительного полупериода сети.
- Фазовый.
Заключается в смене фазы Uупр (в соотношении с напряжением на аноде). При этом применяется фазовращательный мост. Главный минус — малая крутизна Uупр, поэтому стабилизировать момент открытия тиристора можно лишь ненадолго.
- Фазово-импульсный .
Рассчитан на преодоление недостатков фазового метода. С этой целью на Уэ подаётся импульс напряжения с крутым фронтом. Данный подход в настоящее время наиболее распространён.
Тиристоры и безопасность
Из-за импульсности своего действия и наличия обратного восстановительного тока тиристоры очень сильно повышает риск перенапряжения в работе прибора. Помимо этого опасность перенапряжения в зоне полупроводника высока, если в других частях цепи напряжения нет вовсе.
Поэтому во избежание негативных последствий принято использовать схемы ЦФТП. Они препятствуют появлению и удержанию критический значений напряжения.
Двухтранзисторная модель тиристора
Из двух транзисторов вполне можно собрать динистор (тиристор с двумя выводами) или тринистор (тиристор с тремя выводами). Для этого один из них должен иметь p-n-p-проводимость, другой — n-p-n-проводимость. Выполнены транзисторы могут быть как из кремния, так и из германия.
Соединение между ними осуществляется по двум каналам:
- Анод от 2-го транзистора + Управляющий электрод от 1-го транзистора;
- Катод от 1-го транзистора + Управляющий электрод от 2-го транзистора.
Если обойтись без использования управляющих электродов, то на выходе получится динистор.
Совместимость выбранных транзисторов определяется по одинаковому объёму мощности. При этом показания тока и напряжения должны быть обязательно больше требуемых для нормального функционирования прибора. Данные по напряжению пробоя и току удержания зависят от конкретных качеств использованных транзисторов.
Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните на , буду рад если вы найдете на моем еще что-нибудь полезное.
