Меню

Симисторный выключатель переменного тока

Управление симистором: управление мощной нагрузкой на переменном токе

С целью коммутации нагрузок в цепях переменного тока удобно использовать симисторы, представляющие собой разновидность тиристора, однако отличающиеся от тиристора возможностью в открытом состоянии проводить ток обоих направлений.

Первые конструкции симисторов рассматривались уже в 1963 году, тогда например Мордовский научно-исследовательский электротехнический институт уже подал заявку на патент на симметричный тиристор (Патент SU 349356 A, Думаневич А.Н. и Евсеев Ю.А.), а General Electric занимались коммерческим внедрением того же изделия под названием «Triac» на западе.

Тогда как у тиристора имеются четко определенные катод, анод и управляющий электрод, у симистора катод и анод в процессе его работы меняются местами, в зависимости от направления тока в текущий момент.

Безусловно, сигнал на управляющий электрод (затвор) симистора подается всегда относительно конкретного условного катода, но ток через открытый симистор может течь в любом направлении, и в этом смысле симистор в открытом состоянии можно рассматривать как два диода, включенные встречно-параллельно.

Симистор отличается пятислойной структурой полупроводника. Эквивалентно более точно его можно представить в виде двух триодных тиристоров, включённых встречно-параллельно, причем управляющий электрод, в отличие от тиристора, здесь только один.

Чтобы управлять мощной нагрузкой, симистор, подобно выключателю, включают в цепь нагрузки последовательно. И тогда: в закрытом состоянии симистор будет закрыт, нагрузка окажется обесточена, а при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод симистора, между основными электродами симистора появится проводимость — через нагрузку потечет ток. Причем ток может течь через открытый симистор в любом направлении, не то что у тиристора.

Для удержания симистора в открытом состоянии нет необходимости удерживать сигнал управления на управляющем электроде, достаточно подать сигнал, после чего ток установится и будет продолжать течь — в этом отличие симистора от транзистора. Когда же ток через симистор (через цепь нагрузки) станет ниже тока удержания (для переменного тока — в момент перехода тока через ноль), симистор закроется, и для его отпирания потребуется снова подать отпирающий сигнал на управляющий электрод.

Полярность управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод симистора, может либо быть отрицательной, либо совпадать с полярностью напряжения, приложенного к условному аноду. По этой причине популярно такое управление, когда сигнал управления подается прямо с условного анода через ограничительную цепь и выключатель, — просто задается ток достаточный для отпирания симистора.

Из-за глубокой положительной обратной связи, например при индуктивной нагрузке, высокие скорости изменения напряжения или тока симистора могут привести к несвоевременному отпиранию симистора, и к большой мгновенной мощности, которая будет быстро рассеяна на кристалле, и окажется способна разрушить его. Для защиты от вредных выбросов, параллельно симистору в некоторых схемах ставят варистор, а для защиты от высоких значений dU/dt – применяют RC-снабберы.

Применение симистора вместо реле:

Симисторные регуляторы мощности для управления различными мощными нагрузками в цепях переменного тока очень популярны сегодня. Такие регуляторы для ламп называются диммерами, а регуляторы для разных инструментов, для коллекторных двигателей — просто симисторными регуляторами. Схемы их довольно компактны и просты, ведь на управляющий электрод симистора достаточно периодически подавать 0,7 вольт при токе порядка 10 мА, что легко реализуется при помощи RC-цепочки, а в более сложном виде — на базе ШИМ-контроллера, на том же 555 таймере.

Источник



Читайте также:  Однополюсные автоматические выключатели российского производства

Простая симисторная схема выключателя с контролем пересечения нуля

В статье описывается схема твердотельного симисторного реле для коммутации сильноточных нагрузок в цепях переменного тока. Среди огромного количества известных схем твердотельных реле, включающих и выключающих нагрузку только в моменты приближения сетевого напряжения к нулю, предлагаемое решение, возможно, является самым простым (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема твердотельного реле с контролем пересечения нуля.

Транзистор Q2 выполняет функцию ограничителя, препятствующего открыванию тиристора SC1, если напряжение сети превышает уровень порядка 15 В. Когда входное сетевое напряжение опускается ниже этого порога, оптоизолятор U1 начинает управлять затвором тиристора. Положительный ток, текущий в светодиод оптрона, открывает путь выпрямленному переменному току в затвор тиристора, и включает его. После включения тиристора через выпрямительный мост D1 потечет ток, открывающий симистор Q1.

Рисунок 2. Переменное напряжение включается и выключается
только вблизи точки пересечения с нулем.

При выключении оптоизолятора схема ведет себя аналогичным образом. Симистор остается открытым на протяжении полуцикла, но оптрон при этом выключен, и тиристор, соответственно, также остается закрытым до начала следующей полуволны сетевого напряжения.

На Рисунке 2 показаны осциллограммы управляющего напряжения на светодиоде оптоизолятора (верхняя линия) и коммутируемого переменного напряжения на выходе схемы (нижняя линия).

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Симистор принцип работы

Симисторы: принцип работы

Симистор — один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходови принципом работы.

Использование симистора

Симистор наиболее часто используется в полупроводниковых устройствах для коммутации и управления мощностью систем переменного тока.

Схема переключения симистора

Приведенная выше схема показывает простую схему переключения симистора с триггером постоянного тока. При разомкнутом переключателе SW1 ток не поступает в затвор симистора, и поэтому лампа выключена. Когда SW1 замкнут, ток затвора подается на триак от батареи V G через резистор R, и триак приводится в полную проводимость, действуя как замкнутый переключатель, и полная мощность потребляется лампой от синусоидального источника питания.

Поскольку батарея подает положительный ток затвора на триак всякий раз, когда переключатель SW1 замкнут, триак постоянно находится в режимах g + и ΙΙΙ + независимо от полярности клеммы MT 2 .

Конечно, проблема с этой простой схемой переключения симистора состоит в том, что нам потребовался бы дополнительный положительный или отрицательный источник питания затвора, чтобы запустить триак в проводимость. Но мы также можем активировать триак, используя фактическое напряжение питания переменного тока в качестве напряжения срабатывания затвора. Рассмотрим схему ниже.

Схема показывает триак, используемый как простой статический выключатель питания переменного тока, обеспечивающий функцию «ВКЛ» — «ВЫКЛ», аналогичную в работе предыдущей схеме постоянного тока. Когда переключатель SW1 разомкнут, триак действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, триак отключается от «ВКЛ» через токоограничивающий резистор R и самоблокируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на нагрузку лампы.

Поскольку источник питания является синусоидальным переменным током, триак автоматически отключается в конце каждого полупериода переменного тока в качестве мгновенного напряжения питания, и, таким образом, ток нагрузки кратковременно падает до нуля, но повторно фиксируется снова, используя противоположную половину тиристора в следующем полупериоде, пока выключатель остается замкнутым. Этот тип управления переключением обычно называется двухполупериодным управлением, поскольку контролируются обе половины синусоидальной волны.

Поскольку симистор фактически представляет собой две SCR, подключенные друг к другу, мы можем продолжить эту схему переключения симистора, изменив способ срабатывания затвора, как показано ниже.

Читайте также:  Настольная лампа с автоматическим выключателем

Модифицированная цепь переключения симистора

Как и выше, если переключатель SW1 разомкнут в положении A, то ток затвора отсутствует, а лампа выключена. Если переключатель находится в положении B, то ток затвора протекает в каждом полупериоде так же, как и раньше, и лампа получает полную мощность, когда триак работает в режимах Ι + и ΙΙΙ–.

Однако на этот раз, когда переключатель подключен к положению C, диод предотвратит срабатывание затвора, когда MT 2 будет отрицательным, так как диод имеет обратное смещение. Таким образом, симистор работает только в положительных полупериодах, работающих только в режиме I +, и лампа загорается при половине мощности. Затем, в зависимости от положения переключателя, нагрузка выключена при половине мощности или полностью включена .

Фазовый контроль симистора

Другой распространенный тип схемы симистической коммутации использует управление фазой для изменения величины напряжения и, следовательно, мощности, подаваемой на нагрузку, в данном случае на двигатель, как для положительной, так и для отрицательной половин входного сигнала. Этот тип управления скоростью двигателя переменного тока обеспечивает полностью переменное и линейное управление, поскольку напряжение можно регулировать от нуля до полного приложенного напряжения, как показано на рисунке.

Эта базовая схема запуска фазы использует триак последовательно с двигателем через синусоидальный источник переменного тока. Переменный резистор VR1 используется для управления величиной фазового сдвига на затворе симистора, который, в свою очередь, управляет величиной напряжения, подаваемого на двигатель, путем его включения в разное время в течение цикла переменного тока.

Вызывание напряжение симистора является производным от VR1 — C1 комбинации через Диак (Диак является двунаправленным полупроводниковым устройством , которое помогает обеспечить резкий триггер импульс тока, чтобы полностью включение симистора).

В начале каждого цикла C1 заряжается через переменный резистор VR1. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на С1 не станет достаточным для запуска диака в проводимость, что, в свою очередь, позволяет конденсатору С1 разрядиться в затвор симистора, включив его.

Как только триак запускается в проводимость и насыщается, он эффективно замыкает цепь управления фазой затвора, подключенную параллельно ему, и триак берет на себя управление оставшейся частью полупериода.

Как мы видели выше, триак автоматически отключается в конце полупериода, и процесс запуска VR1-C1 снова запускается в следующем полупериоде.

Однако, поскольку для триака требуются разные величины тока затвора в каждом режиме переключения, например, Ι + и ΙΙΙ–, поэтому триак является асимметричным, что означает, что он не может запускаться в одной и той же точке для каждого положительного и отрицательного полупериода.

Эта простая схема управления скоростью симистора подходит не только для управления скоростью двигателя переменного тока, но и для диммеров ламп и управления электронагревателем, и на самом деле очень похожа на регулятор симистора, используемый во многих домах. Однако коммерческий симисторный диммер не должен использоваться в качестве регулятора скорости двигателя, так как, как правило, симисторные диммеры предназначены для использования только с резистивными нагрузками, такими как лампы накаливания.

Принцип работы симистора

Давайте разберем, как работает симистор на примере простой схемы, в которой переменное напряжение подается на нагрузку через электронный ключ на базе этого элемента. В качестве нагрузки представим лампочку — так удобнее будет объяснять принцип работы.

Читайте также:  Выключатель автоматический дифференциальный abb 20a

Схема реле на симисторе (триаке)

В исходном положении прибор находится в запертом состоянии, ток не проходит, лампочка не горит. При замыкании ключа SW1 питание подается на на затвор G. Симистор переходит в открытое состояние, пропускает через себя ток, лампочка загорается. Поскольку схема работает от сети переменного напряжения, полярность на контактах симистора постоянно меняется. Вне зависимости от этого, лампочка горит, так как прибор пропускает ток в обоих направлениях.

При использовании в качестве питания источника переменного напряжения, ключ SW1 должен быть замкнуть все время, пока необходимо чтобы нагрузка была в работе. При размыкании контакта во время очередной смены полярности цепь разрывается, лампочка гаснет. Зажжется она снова только после замыкания ключа.

Если в той же схеме использовать источник постоянного тока, картина изменится. После того как ключ SW1 замкнется, симистор откроется, потечет ток, лампочка загорится. Дальше этот ключ может возвращаться в разомкнутое состояние. При этом цепь питания нагрузки (лампочки) не разрывается, так как симистор остается в открытом состоянии. Чтобы отключить питание, надо либо понизить ток ниже величины удержания (одна из технических характеристик), либо кратковременно разорвать цепь питания.

Сигналы управления

Управляется симистор не напряжением, а током.

Для открытия на затвор надо подать ток определенного уровня. В характеристиках указан минимальный ток открывания — вот это и есть нужная величина. Обычно ток открывания совсем небольшой. Например, для коммутации нагрузки на 25 А, подается управляющий сигнал порядка 2,5 мА. При этом, чем выше напряжение, подаваемое на затвор, тем быстрее открывается переход.

Схема подачи напряжения для управления симистором

Чтобы перевести симистор в открытое состояние, напряжение должно подаваться между затвором и условным катодом. Условным, потому что в разные моменты времени, катодом является то один силовой выход, то другой.

Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель.

Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания.

Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток.

Как отпирается симистор

При питании от сети переменного тока происходит смена режимов работы за счет изменения полярности у напряжения на рабочих электродах. По этой причине в зависимости от того, какая полярность у тока управления, можно выделить 4 типа проведения этой процедуры.

Допустим, между рабочими электродами приложено напряжение. А на электроде управления напряжение по знаку противоположно тому, которое приложено к цепи анода. В этом случае сместится по квадранту симистор — принцип работы, как можно увидеть, довольно простой.

Существует 4 квадранта, и для каждого из них определен ток отпирания, удерживающий, включения. Отпирающий ток необходимо сохранять до той поры, покуда не превысит в несколько раз (в 2-3) он значение удерживающего тока. Именно это и есть ток включения симистора – минимально необходимый ток отпирания. Если же избавиться от тока в цепи управления, симистор будет находиться в проводящем состоянии. Причем он в таком режиме будет работать до той поры, покуда ток в цепи анода будет больше тока удержания.

Источник