Меню

Тиристор как выключатель нагрузки

Безопасное управление тиристорами

Использование тиристоров в качестве выключателей нагрузки хорошо тем, что управляющий ток значительно ниже тока коммутации – это, пожалуй, известно всем. Но тиристоры имеют и свой недостаток. К примеру, на классической схеме симметричного коммутатора, изображенной на рисунке 1, напряжение на выключателе управления SA1 по сути сетевое, а значит опасно.

Предлагаемая доработка этого коммутатора позволяет гальванически развязать выключатель от управляющих электродов тиристоров и сделать работу схемы абсолютно безопасной. В схеме, изображенной на рисунке 2, в качестве такой развязки использован обычный сетевой трансформатор Т1.

Единственное условие – трансформатор должен быть маломощным и иметь ток холостого хода не более 3 мА. Такой ток имею трансформаторы мощностью 1…5 Вт. Они малогабаритны и не особо дефицитны (используются в малогабаритных адаптерах калькуляторов, приемников и т.п.). Напряжение на вторичной обмотке трансформатора (при включении его в сеть) не особо критично и может лежать в пределах 9…36 В.

Пока выключатель SA1 не замкнут, тока через первичную обмотку недостаточно для открывания тиристоров и нагрузка обесточена. При замыкании вторичной обмотки выключателем индуктивное сопротивление первичной обмотки резко падает, и тиристоры открываются каждый током утечки противоположного. Выключатель может быть практически любой конструкции и отнесен от коммутатора на расстояние до 50 м, поскольку ток через него не превышает 30 мА при напряжении не более 30 В.

Источник



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.

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).

Ток управления (IGT).

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.

Читайте также:  Схема подключения освещения двухклавишным выключателем

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.

Читайте также:  Оптические выключатели для светильников

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».

Заключение

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

Тиристорное переключение нагрузки, коммутация (включение / выключение) переменного тока. Тиристор (тринистор / симистор). Схемы.

Применение тиристоров в качестве реле (переключателей) напряжения переменного тока. (10+)

Схемы тиристорных коммутаторов переменного тока

Типичным применением тиристоров является коммутация переменного тока. Основным достоинством тринистора в качестве коммутатора переменного напряжения является его закрытие при нулевом токе нагрузки (когда синусоида пересекает ноль). С помощью определенных ухищрений можно обеспечить и открытие тиристора в моменты нулевого тока. Таком образом, тиристор будет либо целиком пропускать, либо целиком не пропускать полупериод на нагрузку. Задержка включения / выключения до начала полупериода в коммутирующих схемах роли не играет, а коммутационные потери и помехи при такой схеме получаются минимальными.

В данной статье мы будем говорить о переключении переменного тока без регулировки (имитации работы реле). По ссылке можно ознакомиться с другими применениями тиристоров, такими как фазовые регуляторы, коммутаторы постоянного тока, нестандартные тиристорные схемы.

Вашему вниманию подборка материалов:

Практика проектирования электронных схем Искусство разработки устройств. Элементная база. Типовые схемы. Примеры готовых устройств. Подробные описания. Онлайн расчет. Возможность задать вопрос авторам

Переключательные схемы без гальванической развязки

В большинстве схем из соображений безопасности требуется гальваническая развязка между силовой и управляющей частями. Но в некоторых приложениях такая развязка не нужна. Приведу для примера несколько схем термореле, управляющих нагревателями без гальванической развязки. Обратите внимание, что датчик температуры в этих схемах связан с осветительной сетью и может находиться под высоким напряжением. Так что к его установке предъявляются те же требования безопасности, что и к оголенным сетевым проводам. Имею ввиду 100% гарантию отсутствия контакта человека, как непосредственного, так и опосредованного (через влажную или другую проводящую среду).

Верхняя и нижняя схемы различаются тем, что в верхней применяется симистор, а в нижней несимметричный тиристор.

Тиристор подключен к нагрузке через дроссель небольшой индуктивности (L1). Он необходим для снижения импульсных помех и пресечения скачка тока в момент открытия тиристора. Открывающий управляющий сигнал может поступить на тиристор в тот момент, когда напряжение на нем достаточно высокое (напряжение изменяется по синусоиде), тогда происходит бросок тока, сопровождаемый импульсными помехами и опасными перегрузками нагрузки и самого тринистора. Дроссель снижает влияние этого эффекта. Обычно этот дроссель представляет собой 10 — 30 витков провода, намотанных на кусочек ферритового стержня подходящей длины (чтобы поместились витки). Диаметр провода выбирается, исходя из силы тока нагрузки.

Читайте также:  Выключатель автоматический четырехполюсный 80а c c120n

N — нагрузка. D1 — операционный усилитель с высоким входным сопротивлением и однополярным питанием 15 вольт, например, 544УД1. R1 — 30 кОм. R2 — терморезистор ММТ (сопротивление снижается с повышением температуры) 47 кОм. R3 — подстроечный, 20 кОм. R4 — 4 кОм. Он ограничивает ток через базу транзистора и защищает от перегрузки выход операционного усилителя. R5 — 200 кОм. Он обеспечивает некоторый гистерезис, исключая частые включения и выключения (дребезг). R6 — 75 Ом. Этот резистор ограничивает ток через управляющий электрод тиристора. Его нужно выбирать так, чтобы ток был равен току отпирания тиристора, например, для КУ202 используем 75 Ом, для КУ201 — 150 Ом. R7 — 200 Ом. R8 — 10 Ом, ограничивает броски тока при включении в сеть и просках напряжения в сети. VT1 — КТ502. VD1 — стабилитрон 15 В, 3 Вт. VD2 — маломощный стабилитрон 4.5 В. VD3, VD4 — диоды HER308. C1 — электролитический конденсатор 3 000 мкФ, 25 В. C2 в верхней схеме — 4 мкФ 500 В, C2, C3 в нижней схеме — 8 мкФ 500 В. M1 — силовой мост, рассчитанный на ток нагрузки и сетевое наржение. M2 — маломощный мост на 300 мА, 50 В.

Коммутаторы на тиристорах с маломощными выключателями и реле

Для подачи управляющего напряжения в этих схемах применяются маломощные контакты. Это могут быть контакты реле, геркона или маломощного выключателя. На первый взгляд кажется, что в этих схемах нет никакого смысла, так как нагрузку можно включать самими этими контактами без тиристора. Но, если нагрузка имеет большую мощность, то ее непосредственное включение предполагает использование габаритных контактов, и, в любом случае, снижает надежность, так как прерывание больших токов приводит к быстрому износу контактных площадок.

Схема (A1) — применение симистора. Схема (A2) коммутация осуществляется несимметричным тринистором, включенным в диагональ моста.

Схема A4 демонстрирует минимальные потери по сравнению с A2 и A3, так как в ней нет диодов, через которые протекает большой ток, а высоковольтные диоды с напряжением насыщения около 1 В рассеивают при токе 10 А 10 Вт. Но в этой схеме можно использовать только тиристоры, непроводящие в обратном направлении, с нормированным обратным напряжением, большим или равным амплитудному напряжению сети. Для осветительной сети обычно применяются КУ201Л (2У201Л), КУ202Л (2У202Л), КУ202Н (2У202Н)

К сожалению в статьях периодически встречаются ошибки, они исправляются, статьи дополняются, развиваются, готовятся новые. Подпишитесь, на новости, чтобы быть в курсе.

Если что-то непонятно, обязательно спросите!
Задать вопрос. Обсуждение статьи.

Инвертор, преобразователь, чистая синусоида, синус.
Как получить чистую синусоиду 220 вольт от автомобильного аккумулятора, чтобы за.

Плавная регулировка яркости свечения люминесцентных ламп дневного свет.
Схема драйвера для плавной регулировки яркости свечения ламп дневного света. Дра.

Автомат периодического включения — выключения нагрузки. Схема, устройс.
Устройство, регулярно (три раза в день на полчаса) автоматически включающее и вы.

Бесперебойник своими руками. ИБП, UPS сделать самому. Синус, синусоида.
Как сделать бесперебойник самому? Чисто синусоидальное напряжение на выходе, при.

Плавная регулировка, изменение яркости свечения светодиодов. Регулятор.
Плавное управление яркостью свечения светодиодов. Схема устройства с питанием ка.

Инвертирующий импульсный источник питания. Онлайн расчет. Форма. Подав.
Как рассчитать инвертирующий импульсный преобразователь напряжения. Как подавить.

Линейный последовательный компенсационный стабилизатор напряжения непр.
Как спроектировать и рассчитать стабилизатор напряжения непрерывного действия в .

Источник