Фазовое управление симистором – : ,

Симисторный регулятор мощности с микроконтроллерным управлением / Habr

Однажды для одного небольшого домашнего проекта мне потребовался регулятор мощности, пригодный для регулировки скорости вращения электромотора переменного тока. В качестве основы использовалась вот такая плата на базе микроконтроллера STM32F103RBT6. Плата была выбрана как имеющая честный RS232 интерфейс и имеющая при этом минимум дополнительных компонентов. На плате отсутствует слот под литиевую батарейку для питания часов, но приживить его — дело пятнадцати минут.

Итак, начнём с теории. Все знакомы с так называемой широтно-импульсной модуляцией, позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД. Лишняя мощность в таком случае просто не будет потребляться, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла, как при линейном регулировании, представляющем собой не более чем усложнённый вариант реостата. Однако, по ряду причин такое управление, будучи выполненным «в лоб», не всегда подходит для переменного тока. Одна из них — бо́льшая схемотехническая сложность, поскольку требуется диодный мост для питания силовой части на MOSFET или IGBT транзисторах. Этих недостатков лишено симисторное управление, представляющее собой модификацию ШИМ.


Симистор (TRIAC в англоязычной литературе) — это полупроводниковый прибор, модификация тиристора, предназначенный для работы в качестве ключа, то есть он может быть либо открыт, либо закрыт и не имеет линейного режима работы. Основное отличие от тиристора — двусторонняя проводимость в открытом состоянии и (с некоторыми оговорками) независимость от полярности тока (тиристоры и симисторы управляются током, как и биполярные транзисторы) через управляющий электрод. Это позволяет легко использовать симистор в цепях переменного тока. Вторая особенность, общая с тиристорами, — это свойство сохранять проводимость при исчезновении управляющего тока. Закрывается симистор при отключении тока между основными электродами, то есть, когда переменный ток переходит через ноль. Побочным эффектом этого является уменьшение помех при отключении. Таким образом, для открывания симистора нам достаточно подать на управляющий электрод открывающий импульс небольшой, порядка десятков микросекунд, длительности, а закроется он сам в конце полупериода переменного тока.

Симисторное управление учитывает вышеперечисленные свойства этого прибора и заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Заштрихованная на рисунке часть — результат этой процедуры. Таким образом, на выходе вместо синусоиды мы будем иметь что-то, в известной степени напоминающее пилу:

Теперь наша задача — вовремя отпирать симистор. Эту задачу мы возложим на микроконтроллер. Приведённая ниже схема является результатом анализа имеющихся решений а также документации к оптронам. В частности, силовая часть взята из документации на симисторный оптрон производства Texas Instruments. Схема не лишена недостатков, один из которых — мощный проволочный резистор-печка, через который включён оптрон, детектирующий переход через ноль.

Как это работает? Рассмотрим рисунок.

На положительном полупериоде, когда ток через оптрон превышает некоторое пороговое значение, оптрон открывается и напряжение на входе микроконтроллера опускается практически до нуля (кривая «ZC» на рисунке). Когда же ток снова опускается ниже этого значения, на микроконтроллер снова поступает единица. Происходит это в моменты времени, отстоящие на dz от нуля тока. Это dz ощутимо, в моём случае составляет около 0.8 мс, и его необходимо учитывать. Это несложно: мы знаем период T и длительность импульса высокого уровня h, откуда dz = (h — T / 2) / 2. Таким образом, нам необходимо открывать симистор через dz + dP от переднего фронта сигнала с оптрона.

О фазовом сдвиге dP стоит поговорить отдельно. В случае c ШИМ постоянного тока среднее значение тока на выходе будет линейно зависеть от скважности управляющего сигнала. Но это лишь потому, что интеграл от константы даёт линейную зависимость. В нашем случае необходимо отталкиваться от значения интеграла синуса. Решение простого уравнения даёт нам искомую зависимость: для линейного изменения среднего значения тока необходимо менять фазовый сдвиг по закону арккосинуса, для чего достаточно ввести в управляющую программу LUT таблицу.

Всё, о чём я расскажу в дальнейшем, имеет прямое отношение к архитектуре микроконтроллеров серии STM32, в частности, к архитектуре их таймеров. Микроконтроллеры этой серии имеют разное число таймеров, в STM32F103RBT6 их семь, из которых четыре пригодны для захвата и генерации ШИМ. Таймеры можно каскадировать: для каждого таймера одно из внутренних событий (переполнение, сброс, изменение уровня на одном из входных или выходных каналов и т.д.; за подробностями отсылаю вас к документации) можно объявить выходным и направить его на другой таймер, назначив на него определённое действие: старт, стоп, сброс и т.д. Нам потребуются три таймера: один из них, работая в т.н. PWM input режиме, замеряет период входного сигнала и длительность импульса высокого уровня. По окончании измерения, после каждого периода генерируется прерывание. Одновременно с этим запускается связанный с этим событием таймер фазового сдвига, работающий в ждущем режиме. По событию переполнения этого таймера происходит принудительный сброс таймера, генерирующего выходной управляющий сигнал на симистор, таким образом, через каждый полный период переменного тока подстраивается фаза управляющего сигнала. Только первый таймер генерирует прерывание, и задача обработчика сводится к подстройке фазового сдвига (регистр ARR ждущего таймера) и периода ШИМ таймера (также регистр ARR) так, чтобы он всегда был равен половине периода переменного тока. Таким образом, всё управление происходит на аппаратном уровне и влияние программных задержек полностью исключается. Да, это можно было сделать и программно, но грех было не воспользоваться такой возможностью, как каскадируемые таймеры.

Выкладывать на обозрение код всего проекта я не вижу смысла, к тому же, он далёк от завершения. Приведу лишь фрагмент, содержащий описанный выше алгоритм. Он абсолютно независим от прочих частей и легко может быть портирован в другой проект на совместимом микроконтроллере.

И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии:

habr.com

управление тиристором | Электрознайка. Домашний Электромастер.

 Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.



data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»7451033986″>
♦     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  «Что такое динистор и тиристор?» :  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 ) 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 ), пока не достигнет величины Iвкл. Тиристор откроется.

Такой способ управления тиристором называется 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 , 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 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 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



data-ad-client=»ca-pub-5076466341839286″
data-ad-slot=»7451033986″>

domasniyelektromaster.ru

Управление мощной нагрузкой переменного тока / Habr

Все знают, насколько ардуинщики гордятся миганием лампочками

Так как мигать светодиодами не интересно, речь пойдет про управление лампой накаливания на 220 вольт, включая управление её яркостью. Впрочем, материал относится и к некоторым другим типам нагрузки. Эта тема достаточно избита, но информация об особенностях, которые необходимо учесть, разрозненна по статьям и темам на форумах. Я постарался собрать её воедино и описать различия между схемами и обосновать выбор нужных компонентов.

Выбор управляемой нагрузки

Существует много различных типов ламп. Не все из них поддаются регулировке яркости. И, в зависимости от типа лампы, требуются разные способы управления. Про типы ламп есть хорошая статья. Я же буду рассматриваться только лампы, работающие от переменного тока. Для таких ламп существует три основных способа управления яркостью (диммирование по переднему фронту, по заднему фронту и синус-диммирование).
Иллюстрация в формате SVG, может не отображжаться в старых браузерах и, особенно, в IE
Отличаются они тем, какая часть периода переменного тока пропускается через лампу. О применимости этих методов можно прочитать тут. В этой статье речь пойдет только о диммировании по преднему фронту, так как это самая простой и распространенный способ. Он подходит для управления яркостью ламп накаливания (включая галогенные), в том числе подключенных через ферромагнитный (не электронный) трансформатор. Эта же схема может применяться для управления мощностью нагревательных элементов и, в некоторой степени, электромоторов, а также для включения/выключения других электроприборов (без управления мощностью).

Выбор элементной базы

Различных вариантов схем управления нагрузкой в интернете много. Отличаются они по следующим параметрам:Первые два пункта определяются элементной базой. Очень часто для управления нагрузкой используют реле, как проверенный многолетним опытом элемент. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы, её необходимо включать и выключать 100 раз в секунду. Реле не рассчитаны на такую нагрузку и быстро выйдут из строя, даже если смогут переключаться так часто. Если в схеме используется MOSFET, то его можно открывать и закрывать в любой момент. Нам нем можно построить и RL, и RC, и синус димер. Но так как он проводит ток только в одну сторону, понадобится два транзистора на канал. Кроме того, высоковольтные MOSFET относительно дороги. Самым простым и дешевым способом является использование симистора. Он проводит ток в обоих направлениях и сам закрывается, когда через него прекращает течь ток. Про то, как он работает можно прочитать в статье DiHalt’а. Далее я буду полагаться на то, что вы это знаете.

Фазовая модуляция

Чтобы управлять яркостью лампы нам нужно подавать импульсы тока на затвор симистора в моменты, когда ток через симистор достигает определенной величины. В схемах без микроконтроллера для этого применяется настраиваемый делитель напряжения и динистор. Когда напряжение на симисторе превышает порог, при котором открывается динистор, ток проходит на затвор симистора и открывает его.
Если же управление ведется с микроконтроллера, то возможны два варианта:

  1. Подавать импульсы равно в тот момент времени, когда нужно. Для этого придётся завести на микроконтроллер сигнал с детектора перехода напряжения через ноль
  2. К затвору симистора подключить компаратор, на который завести сигнал с делителя напряжения и с аналогового выхода микроконтроллера

Первый способ хорош тем, что позволяет легко организовать гальваническую развязку высоковольтной части и микроконтроллера. О её важности будет сказано позже. Но любители arduino будут огорчены: чтобы лапа горела ровно, не вспыхивая и не погасая, импульсы нужно подавать вовремя. Для этого управлять выводом нужно из прерывания таймера, а моменты перехода напряжения через ноль фиксировать с помощью «input capture». Это «недокументированные» функции. Проблема решается отказом от библиотек arduino и внимательным чтением datasheet’а на процессоры avr. Это не так сложно, как кажется.
Второй способ управления симистором крайне прост в программном плане, но из-за отсутствия гальванической развязки я бы не стал его применять.

Гальваническая развязка

Самый простой способ управлять симистором — это подключить к затвору ножку микроконтроллера. Есть даже специальная серия симисторов BTA-600SW управляемых малыми токами.Но тогда контроллер и вся низковольтная часть не будет защищена от помех, гуляющих по бытовой сети. Некоторое из них могут быть достаточно мощными, чтобы сжечь микроконтроллер, другие будут вызывать сбои. Кроме того, сразу возникают проблемы со связью микроконтроллера с компьютером или другими микроконтроллерами: нужно будет делать развязку в линии связи или использовать дифференциальные линии, ведь, чтобы управлять симистором прямо с ноги микроконтроллера, нулевой потенциал для него должен совпадать с потенциалом нуля в бытовой сети. У компьютера или другого такого же микроконтроллера, подключенного в другой точке сети, нулевой потенциал почти наверняка будет другим. Результат будет плачевным.
Простой способ обеспечить гальваническую развязку: использовать драйвер симистора MOC30XX. Эти микросхемы отличаются:

  1. Расчетным напряжением. Если для сетей 110 вольт, есть для 220
  2. Наличием детектора нуля
  3. Током, открывающим драйвер

Драйвер с детектором нуля (MOC306X) переключается только в начале периода. Это обеспечивает отсутствие помех в электросети от симистора. Поэтому, если нет необходимости управлять выделяемой мощностью или управляемый прибор обладает большой инерционностью (например это нагревательный элемент в электроплитке), драйвер с детектором нуля будет оптимальным выбором. Но, если вы хотите управлять яркостью лампы освещения, необходимо использовать драйвер без детектора нуля (MOC305X) и самостоятельно открывать его в нужные моменты.
Ток, необходимый для открытия важен, если вы хотите управлять несколькими нагрузками одновременно. У MOC3051 он 15 мА, у MOC3052 10мА. При этом микроконтроллеры stm могут пропускать через себя до 80-120 мА, а avr до 200 мА. Точные цифры нужно смотреть в соответствующих datasheet’ах.

Устойчивость к помехам/возможность коммутации индуктивной нагрузки

В электросети могут быть помехи, вызывающие самопроизвольное открытие симистора или его повреждение. Источником помех может служить:

  1. Нагрузка, управляемая симистором (обмотка мотора)
  2. Фильтр (snubber), расположенный рядом с симистором и призванный его защищать
  3. Внешняя помеха (грозовой разряд)

Помеха может быть как по напряжению, так и по току, причем более критичны скорости изменения соответствующих значений, чем их амплитуды. В datasheet’ах соответствующие значения указаны как:
V — максимальное напряжение, при котором может работать симистор. Максимальное пиковое напряжение не намного больше.
I — Максимальный ток, который может пропускать через себя симистор. Максимальный пиковый ток как правило значительно больше.
dV/dt — Максимальная скорость изменения напряжения на закрытом симисторе. При превышении этого значения он самопроизвольно откроется.
dI/dt — Максимальная скорость изменения тока при открытии симистора. При превышении этого значения он сгорит из-за того, что не успеет полностью открыться.
(dV/dt)c — Максимальная скорость изменения напряжения в момент закрытия симистора. Значительно меньше dV/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
(dI/dt)c — Максимальная скорость изменения тока в момент закрытия симистора. Значительно меньше dI/dt. При превышении симистор продолжит проводить ток.
Подробно о природе этих ограничений и о том, как сделать фильтр, защищающий от превышения этих величин описано в Application Note AN-3008. К немо можно только добавить, что существуют 3Q симисторы, у которых значения dV/dt и dI/dt выше, чем у обычных за счет невозможности работать в 4ом квадранте (что обычно не требуется).

Выбор симистора

Максимальный ток коммутации

Максимальный ток коммутации ограничивается двумя параметрами: максимальным током, который может пропустить симистор и количеством тепла, которое вы можете от него отвести. С первым параметром все просто, он указан в datasheet’е. Но если посмотреть внимательно, то при токе в 16 ампер на BTA16-600BW выделяется около 20 ватт. Такую грелку уже не получится засунуть в коробку выключателя без вентиляции.

Минимальный ток коммутации

Симистор сохраняет проводимость до тех пор, пока через него идёт ток. Минимально необходимый ток указан в datasheet’е под именем latching current. Соответственно, слишком мощный симистор не сможет включать маломощную лампочку так как будет выключаться, как только с затвора пропадёт управляющий сигнал. Но так, как этот сигнал мы самостоятельно формируем микроконтроллером, то можно удерживать управляющий сигнал почти до самого конца полупериода, тем самым убрав ограничение на минимальную нагрузку. Однако, если не успеть снять сигнал, симистор не закроется и лампа не погаснет. При плохо подобранных константах лампы, работающие на не полной яркости периодически вспыхивают.

Изоляция

Симисторы в корпусе TO-220 могут быть изолированными или не изолированными. Я сначала сделал ошибку и купил BT137, в результате радиаторы охлаждения оказались под напряжением, что в моем случае нежелательно. Симисторы с маркировкой BTA изолированы, с маркировкой BTB нет.

Защита от перегрузки

Не стоит полагаться на автоматические выключатели. Посмотрите на спецификацию, при перегрузке в 1.4 раза автомат обязан выключиться не ранее, чем через час. А быстрое размыкание происходит только при перегрузке в 5 раз (для автоматов типа C). Это сделано для того, чтобы автомат не отключался при включении приборов, требующих при старте значительно больше энергии, чем при постоянной работе. Примером такого прибора является холодильник.
Симистор нужно защитить отдельным предохранителем, либо контролировать ток через него и отключать его при перегрузке, давая остыть.

Защита от короткого замыкания

При перегорании лампы накаливания может образовываться искровой разряд, имеющий очень низкое сопротивление. В результате цепь фактически замыкается накоротко, что приводит к выгоранию симистора.
Симистор может выгорать из-за двух причин:

  1. Превышение dI/dt. Симистор не успевает открыться полностью, ток идет не через весь кристалл, образуются локальные горячие области, выжигающие кристалл.
  2. Превышение интеграла Джоуля I^2t. Задает количество теплоты, накопление которой в кристалле приведет к разрушению кристалла.

dI/dt ограничивается индуктивностью проводки и внутренней ёмкостью симистора. Так как dI/dt достаточно велика (50 А/с для BTA16), может хватить индуктивности подводящей проводки, если она достаточно длинная. Можно подстраховаться и добавить небольшую индуктивность в виде нескольких витков провода вокруг сердечника.
С превышением интеграла Джоуля можно бороться либо уменьшая время прохождения тока через симистор, либо ограничивая ток. Так как симистор не закроется, пока ток не перейдет через ноль, не вводя дополнительных размыкателей нельзя сделать время прохождения тока менее одного полупериода. В качестве такого размыкателя можно использовать:

  1. Быстродействующий плавкий предохранитель. Обычный предохранитель не подойдет так как симистор сгорит до того, как он сработает. Но стоят такие предохранители дороже новых симисторов.
  2. Геркон/реле. Если удастся найти такое, чтобы выдерживало кратковременные большие токи.

Можно пойти по другому пути. BTA16-600 может выдержать ток в 160 амер в течении одного периода. Если сопротивление замыкаемой цепи будет порядка 1.5 Ом, то полупериод он выдержит. Сопротивление проводки даст 0.5 Ом. Остается добавить в цепь сопротивление в 1 Ом. Схема станет менее эффективной и появится еще одна грелка, выделяющая при штатной работе до 16 Вт тепла (0.45 Вт при работе 100 ваттной лампы), зато симистор не сгорит, если успеть его вовремя выключить и позаботиться о хорошем охлаждении, чтобы оставался запас на нагрев во время КЗ.
Из этого сопротивления можно извлечь дополнительную выгоду: измеряя падение напряжения на нем, можно узнавать ток, протекающий через симистор. Полученное значение можно использовать для того, чтобы определять короткое замыкание или перегрузку и отключать симистор.

Заключение

Я не претендую на абсолютную верность всего написанного. Статья писалась для того, чтобы упорядочить знания, прочитанные на просторах интернета и проверить, не забыл ли я чего. В частности раздел, касающийся защиты от перегрузок я еще не опробовал на практике. Если я где-то не прав, мне было бы интересно узнать об ошибках.
В статье нет ни одной схемы: знакомые с темой и так знают их наизусть, а новичку придётся заглянуть в datasheet к MOC3052 или в AN-3008 и, возможно, он заодно узнает что-то еще и не будет бездумно реализовывать готовую схему.

habr.com

Светорегуляторы. Разновидности тиристоров

 

В
статье рассказано об использовании
тиристоров, приведены простые и наглядные
опыты для изучения принципов их работы.
Также даны практические указания по
проверке и подбору тиристоров.

Самодельные
светорегуляторы

 Несмотря
на разнообразие и наличие в продаже
таких устройств можно собрать
светорегулятор по достаточно простой
любительской схеме.

К
тому же светорегулятор вовсе
не обязательно должен регулировать
свет, можно приспособить его, например,
к паяльнику. В общем, применений
предостаточно, готовое устройство может
всегда пригодиться.

Практически
все подобные устройства выполнены с
применением тиристоров, о которых стоит
рассказать отдельно, ну хотя бы вкратце,
чтобы принцип действия тиристорных
регуляторов
 был
ясен и понятен.

Кое-
что давайте повторим!

Разновидности
тиристоров

Название тиристор подразумевает
под собой несколько разновидностей,
или как принято говорить, семейство
полупроводниковых приборов. Такие
приборы представляют собой структуру
из четырех p и n слоев, образующих три
последовательных p-n (p-n буквы латинские:
от positive и negative) перехода.

Рис.
1. Тиристоры

Если
от крайних областей p n сделать выводы,
получившийся прибор называется диодным
тиристором, по-другому динистор.
Он и внешним видом похож на диод серии
Д226 или Д7Ж, только диоды имеют всего
лишь один p-n переход. Конструкция и схема
динистора типа КН102 показана на рисунке
2.

Там
же показана и схема его включения. Если
сделать вывод еще от одного p-n перехода,
то получится триодный тиристор, называемый
тринистором. В одном корпусе может
находиться сразу два тринистора,
включенных встречно – параллельно.
Такая конструкция называется симистором
и предназначена для работы в цепях
переменного тока, поскольку может
пропускать как положительные, так и
отрицательные полупериоды напряжения.

Рисунок
2. Внутреннее устройство и схема включения
диодного тиристора КН102

Вывод
катода, область n, соединен с корпусом,
а вывод анода через стеклянный изолятор
соединен в областью p, как показано на
рисунке 1. Там же показано включение
динистора в цепи питания. В
цепь питания последовательно с динистором
обязательно должна быть включена
нагрузка
,
так же как если бы это был обычный диод.
На рисунке 3 показана вольт — амперная
характеристика динистора.

Рисунок
3. Вольт — амперная характеристика
динистора

Из
этой характеристики видно, что напряжение
к динистору может быть приложено как в
обратном направлении (на рисунке в
нижней левой четверти), так и в прямом,
как показано в правой верхней четверти
рисунка. В обратном направлении
характеристика похожа на характеристику
обычного диода: через прибор протекает
незначительный обратный ток, практически
можно считать что и нет никакого тока.

Больший
интерес представляет прямая ветвь
характеристики. Если на динистор подать
напряжение в прямом направлении и
постепенно его увеличивать, то ток через
динистор будет невелик, и изменяться
будет незначительно. Но лишь до тех пор,
пока не достигнет определенного значения,
называемого напряжением включения
динистора. На рисунке это обозначено
как Uвкл.

При
этом напряжении во внутренней
четырехслойной структуре происходит
лавинообразное увеличение тока, динистор
открывается, переходит в проводящее
состояние, о чем свидетельствует участок
с отрицательным сопротивлением на
характеристике. Напряжение участка
катод – анод резко уменьшается, а ток
через динистор ограничивается только
лишь внешней нагрузкой, в данном случае
сопротивлением резистора R1. Главное,
чтобы ток был ограничен на уровне не
выше предельно допустимого, который
оговаривается в справочных данных.

Предельно
допустимый ток или напряжение, это та
величина, при которой гарантируется
нормальная работа прибора в течение
длительного времени. Причем следует
обратить внимание на то, чтобы предельно
допустимого значения достигал лишь
один из параметров: если прибор работает
в режиме предельно допустимого тока,
то рабочее напряжение должно быть ниже,
чем предельно допустимое. В противном
случае нормальная работа полупроводникового
прибора не гарантируется. К достижению
предельно допустимых параметров
специально, конечно, стремиться не надо,
но уж если так получилось…

Этот
прямой ток через динистор будет протекать
до тех пор, пока каким — либо образом
динистор будет выключен. Для этого
необходимо прекратить прохождение
прямого тока. Это можно сделать тремя
способами: разомкнуть цепь питания,
замкнуть накоротко динистор при помощи
перемычки (весь ток пройдет через
перемычку, а ток через динистор будет
равен нулю), или изменить на противоположную
полярность питающего напряжения. Такое
получается если питать динистор и
нагрузку переменным током. Такие же
методы выключения и у триодного тиристора
– тринистора.

Маркировка
динисторов

Она
состоит из нескольких букв и цифр,
наиболее распространены и доступны
отечественные приборы серии КН102 (А,Б…И).
первая буква К, говорит о том, что это
кремниевый полупроводниковый прибор,
Н что это динистор, цифры 102 номер
разработки, а вот последняя буква
определяет напряжение включения.

Весь
справочник тут не поместится, однако
следует отметить, что КН102А имеет
напряжение включения 20В, КН102Б 28В, а
КН102И уже целых 150В. При последовательном
включении приборов напряжение включения
складывается, например два КН102А дадут
в сумме напряжение включения 40В. Динисторы
выпускавшиеся для оборонной промышленности
вместо первой буквы К имеют цифру 2. Это
же правило используется и в маркировке
транзисторов.

Такая
логика работы динистора позволяет на
его базе собирать достаточно простые
генераторы импульсов
.
Схема одного из вариантов показана на
рисунке 4.

Рисунок
4. Генератор на динисторе

Принцип
работы такого генератора достаточно
прост: выпрямленное диодом VD1 сетевое
напряжение через резистор R1 заряжает
конденсатор C1, и как только напряжение
на нем достигнет напряжения включения
динистора VS1, последний открывается, и
конденсатор разряжается через лампочку
EL1, которая дает кратковременную вспышку,
после которой процесс повторяется
сначала. В реальных схемах вместо
лампочки может устанавливаться
трансформатор, с выходной обмотки
которого могут сниматься импульсы,
используемые для каких-либо целей,
например, в качестве открывающих
импульсов.

studfiles.net

Регулятор мощности с фазовым управлением симистором на микроконтроллере PIC16F84A

егулятор предназначен для плавного управления мощностью активнойнагрузки, питающейся от сети переменного тока 220 вольт частотой 50 Гц.Мощность нагрузки зависит от типа применяемого симистора. В основуметода управления положен принцип фазового регулирования моментавключения симистора, включенного последовательно с нагрузкой.

Фото регулятора представлены на риснках :

В момент включения мощность на нагрузке нарастает плавно, что удобно,если регулятор будет использоваться для регулирования яркости лампыосвещения. Вообще область применения регулятора самая широкая.

Основнымэлементом   регулятора является микроконтроллер PIC16F84A.По входу RB0 микроконтроллера организовано прерывание в момент переходасетевого напряжения через ноль. Перепад на этом выводе формирует узелна оптопаре U1 (АОУ110Б). От момента прерывания программно организованазадержка включения симистора, которая меняется в определённых пределах.На светодиодном индикаторе это выглядит как регулирование мощности от 0до 99%.

Схема регулятора мощностипредставлена на рисунке :


Погрешность соответствия показаний индикатора и действительной мощностиподводимой к нагрузке вполне достаточная для применения регулятора длябытовых целей. Кнопки  S1  и  S2 служат дляувеличения и уменьшения мощности соответственно. В подпрограмме опросакнопок организовано несколько режимов, удобных в пользовании, приоднократном нажатии изменение на единицу значения, при долгом нажатиибыстрое изменение и очень быстрое.
     Узел управления симисторомсостоит из элементов U2, VD3, R5, стандартное схемное решение,оптотиристор U2 (АОУ103В) обеспечивает гальваническую развязку и спомощью диодного моста VD3 (W08) управление симистором VS1. 
     Схема питается от сети черезтрансформатор T1. Далее напряжение выпрямляется диодным мостом VD2,часть напряжения поступает на оптопару  U1, для формированияперепада перехода сетевого напряжения через ноль, остальная часть черездиод VD1 на микросхему стабилизатора IC1, которая стабилизируетнапряжение до 5 вольт. Элементы С1, С2, С7 служат для сглаживанияпульсаций сетевого напряжения.

Печатные платы в формате LAY:
печатная плата PicPower
плата управлениясемистором

Прошивка для микроконтроллера PIC16F84A в HEX формате :PicPower.rar  
Та-же прошивка в формате программы ProgCode :  PicPower.sfr  

Автор конструкции:  Юрий Стрижаков

Связаться с автором можно по email (указан на схеме)

elektro-shemi.ru

Управление тринисторами и симисторами

Самый
простой способ управления тиристорами
— это подача на управляющий электрод
прибора постоянного тока с величиной,
необходимой для его включения (рис. 1).
Ключ SA1 на рис. 1 и на последующих рисунках
— это любой элемент, обеспечивающий
замыкание цепи: транзистор, выходной
каскад микросхемы, оптрон и др. Этот
способ прост и удобен, но обладает
существенным недостатком — требуется
довольно большая мощность управляющего
сигнала. В табл. 1 приведены наиболее
важные параметры для обеспечения
надежного управления некоторыми самыми
распространенными тиристорами (три
первых позиции занимают тринисторы,
остальные — симисторы). При комнатной
температуре для гарантированного
включения перечисленных тиристоров
требуется ток управляющего электрода
Iу вкл равный 70-160 мА. Следовательно, при
напряжении питания, типовом для собранных
на микросхемах узлов управления (10-15
В), требуется постоянная мощность 0,7-2,4
Вт.

 

Отметим,
что полярность управляющего напряжения
для тринисторов положительная относительно
катода, а для симисторов — или отрицательная
для обоих полупериодов, или совпадающая
с полярностью напряжения на аноде. Также
можно добавить, что часто в соответствии
с указаниями по применению требуется
шунтирование управляющего перехода
тринисторов сопротивлением 51 Ом (R2 на
рис. 1) и не требуется никакого шунтирования
для симисторов.

Реальные
величины тока управляющего электрода,
достаточного для включения тиристора,
обычно меньше цифр, приведенных в табл.
1, поэтому нередко идут на его снижение
относительно гарантированных значений:
для тринисторов — до 7-40 мА, для симисторов
— до 50-60 мА. Такое снижение часто приводит
к ненадежной работе устройств, и
необходимости предварительной проверки
или же подбора тиристоров. Уменьшение
управляющего тока также может приводить
к возникновению помех радиоприему,
поскольку включение тиристоров при
малых токах управляющего электрода
происходит при относительно большом
напряжении на аноде — несколько десятков
вольт, что приводит к броскам тока через
нагрузку и, следовательно, к мощным
помехам.

Недостатком
управления тиристорами постоянным
током является гальваническая связь
источника управляющего сигнала и сети.
Если в схеме с симистором (рис. 1, б) при
соответствующем включении сетевых
проводов источник управляющего сигнала
можно соединить с нулевым проводом, то
при использовании тринистора (рис 1, а)
такая возможность возникает лишь при
исключении выпрямительного моста
VD1-VD4. Последнее приводит к однополупериодной
подаче напряжения на нагрузку и
двукратному уменьшению поступаемой в
нее мощности.

В
настоящее время в связи с большой
потребляемой мощностью запуск тиристоров
постоянным током при бестрансформаторном
питании пусковых узлов (с гасящим
резистором или конденсатором) практически
не используется.

Применение
импульсного запуска облегчает
гальваническую развязку между узлом
управления и сетью, ибо ее может обеспечить
даже небольшой трансформатор с
коэффициентом трансформации, близким
к 1:1. Его обычно наматывают на ферритовом
кольце диаметром 16-20 мм с тщательно
выполненной изоляцией между обмотками.
Следует предостеречь от применения
малогабаритных импульсных трансформаторов
промышленного изготовления. Как правило,
они имеют низкое напряжение изоляции
(около 50-100 В) и могут служить причиной
поражения электрическим током, если
при использовании прибора будет
считаться, что цепь управления изолирована
от сети.

Широко
распространен способ управления
тиристорами — подача на управляющий
электрод сигнала с его анода через ключ
и ограничительный резистор (рис. 2). В
таком узле ток через ключ протекает в
течение нескольких микросекунд, пока
включается тиристор, если напряжение
на аноде достаточно велико. В качестве
ключей используют маломощные
электромагнитные реле, высоковольтные
биполярные транзисторы, фотодинистры
или фотосимисторы (схемы на рис. 2
соответственно). Способ прост и удобен,
некритичен к наличию у нагрузки
индуктивной составляющей, но имеет
недостаток, на который нередко не
обращают внимания.

Недостаток
связан с противоречивостью требований
к ограничительному резистору R1. С одной
стороны, его сопротивление должно быть
как можно меньше, чтобы включение
тиристора происходило как можно ближе
к началу полупериода сетевого напряжения.
С другой стороны, при первом открывании
ключа, если оно не синхронизировано с
моментом прохождения сетевого напряжения
через нуль, напряжение на резисторе R1
может достигать амплитудного напряжения
сети, т. е. составлять 310-350 В. Импульс
тока через этот резистор не должен
превышать допустимых значений для ключа
и управляющего перехода тиристора. Если
ток управляющего электрода, при котором
происходит включение симистора,
соответствует его максимальному значению
160 мА, симистор будет включаться при
напряжении на аноде равном 0,16ћ330 = 53 В.

Это
приводит к возникновению помех и к
некоторому уменьшению выходного
напряжения. Поскольку реальная
чувствительность тиристоров по
управляющему электроду обычно лучше,
задержка открывания тиристора относительно
начала полупериода меньше рассчитанной
выше предельной величины.

 

Сопротивление
ограничивающего резистора R1 может быть
уменьшено на величину сопротивления
нагрузки, поскольку в момент включения
они включены последовательно.
Более
того, если нагрузка имеет гарантированно
индуктивно-резистивный характер, можно
еще более уменьшить сопротивление
указанного резистора. Однако если
нагрузкой являются лампы накаливания,
надо помнить, что их холодное сопротивление
примерно в десять раз меньше рабочего.

Следует
также иметь ввиду, что включающий ток
симисторов имеет разную величину для
положительной и отрицательной полуволн
сетевого напряжения. Поэтому в выходном
напряжении мо жет появиться небольшая
постоянная составляющая.

Применение
импульсного запуска облегчает
гальваническую развязку между узлом
управления и сетью, ибо ее может обеспечить
даже небольшой трансформатор с
коэффициентом трансформации, близким
к 1:1. Его обычно наматывают на ферритовом
кольце диаметром 16-20 мм с тщательно
выполненной изоляцией между обмотками.
Следует предостеречь от применения
малогабаритных импульсных трансформаторов
промышленного изготовления. Как правило,
они имеют низкое напряжение изоляции
(около 50-100 В) и могут служить причиной
поражения электрическим током, если
при использовании прибора будет
считаться, что цепь управления изолирована
от сети.

Снижение
требуемой при импульсном управлении
мощности и возможность введения
гальванической развязки позволяют
применить в узлах управления тиристорами
бестрансформаторное питание.

Существенного
сокращения потребляемой цепями управления
мощности можно добиться, если включать
ток управляющего электрода в момент
включения тиристора. Два варианта схем
узлов управления, обеспечивающих такой
режим, приведены на рис. 3.

Включение
тринистора в схеме на рис. 3, а происходит
в момент замыкания контактов ключа SA1.
После включения тринистора элемент
DD1.1 выключается, и ток управляющего
электрода прекращается, что существенно
экономит потребление по цепи управления.
Если напряжение на тринисторе в момент
включения SA1 будет меньше порога
переключения DD1.1, тринистор не включится,
пока напряжение на нем не достигнет
этого порога, т. е. не станет несколько
более половины напряжения питания
микросхемы. Регулировать пороговое
напряжение можно подбором сопротивления
нижнего плеча делителя резистора R6.
Резистор R2 обеспечивает низкий логический
уровень на входе 1 элемента DD1.1 при
закрывании тринистора VS1 и диодного
моста VD2.

Для
аналогичного включения симистора
необходим узел двуполярного управления
элементом совпадения DD1.1 (рис. 3, б). Этот
узел собран на транзисторах VT1, VT2 и
резисторах R2-R4. Транзистор VT1 включен
по схеме с общей базой, и напряжение на
его коллекторе становится по модулю
меньше порога переключения элемента
DD1.1, когда напряжение на аноде симистора
VS1 положительно относительно катода и
превышает его примерно на 7 В. Аналогично
транзистор VT2 входит в насыщение, когда
отрица тельное напряжение на аноде
становится по модулю больше -6 В.

Такой
узел выделения момента прохождения
напряжения через нуль широко применяется
в различных разработках. 

Наиболее
экономичные схемы управления используют
формирование одиночного включающего
импульса вблизи перехода сетевого
напряжения через нуль.

Минимальная
длительность включающего импульса
определяется тем, что он должен
оканчиваться не ранее, чем ток через
нагрузки достигнет тока удержания
тиристора. 

Для
уменьшения потерь мощности можно
сформированный в узлах по схемам на
рис. 4 импульс, продифференцировать его,
и продифференцированный задний фронт
использовать как запускающий для
тиристора (рис. 6). Параметры этого
запускающего импульса Ти следует
выбирать так. Он должен начинаться как
можно раньше после прохождения сетевого
напряжения через нуль, чтобы бросок
тока через нагрузку в момент включения
в начале каждого полупериода был бы
минимальным и минимальными были бы
помехи и потери мощности. Здесь ширина
импульса, формируемого в момент
прохождения напряжения сети через нуль,
ограничена снизу только временем
перезаряда дифференцирующей цепи C1R7 и
может быть достаточно малой, но конечной.
Оканчиваться импульс должен, как и для
предыдущего варианта, не ранее, чем
когда ток через нагрузку достигнет тока
удержания тиристора.

 

При
работе узлов по схемам на рис. 7 и 8 подача
на управляющий электрод импульса
включения спрямляет выходную характеристику
тиристора в момент прохождения сетевого
напряжения через нуль и при правильно
выбранной длительности импульса
удерживает тиристор во включенном
состоянии до момента достижения тока
удержания даже при наличии небольшой
индуктивной составляющей нагрузки.
Источник питания таких узлов может быть
собран по бестрансформаторной схеме с
гасящим резистором или, что еще лучше,
конденсатором. Помех радиоприему такое
включение тиристоров не создает и может
быть рекомендовано для всех случаев
управления нагрузками с малой индуктивной
составляющей.

Выше
были рассмотрены варианты управления
тиристорами при их использовании в
качестве ключей. При фазоимпульсном
управлении мощностью нагрузок можно
использовать описанные выше схемотехнические
решения по формированию импульсов в
моменты перехода сетевого напряжения
через нуль для запуска времязадающего
узла запуска тиристора. Отметим, что
такой узел должен давать стабильную
задержку включения тиристора, не
зависящую от напряжения сети и температуры,
а длительность формируемого импульса
должна обеспечить достижение тока
удержания независимо от момента включения
нагрузки в пределах полупериода.

studfiles.net

Простое управление тиристором » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Предлагаю для любителей схемку, которую «открыл» (для себя) сам.
Случилось это, когда искал возможность плавно регулировать (через тиристор) яркость ламп накаливания. Применения: Цветомузыка, плавно включить/выключить свет в помещении (круто и лампы реже перегорают), мощность на паяльнике, позже появилась мысль использовать в зарядном устройстве для автомобильных АКБ. При простой схеме ведёт себя как довольно сложные с фазоимпульсным управлением тиристором. Позже, уже имея осцилограф, понял как примерно она работает. Естественно, делюсь мнением.
Зависимость яркости лампы от напряжения на входе примерно такая:

Это было то, что мне нужно.

Думаю, что изменением R1 можно пропорционально изменить U упр, при котором достигается максимальная яркость (уменьшить этот порог меньше 2…3 Вольт не получится, но я и не пробовал). R2 стоит на всякий случай, чтобы уменьшить рассеиваемую на транзисторе мощность (где-то видел и решил что надо). От транзистора требуется выдержать максимальное приложенное к нему напряжение, в моём случае более 300V. От диода тоже, а нужен он в случае, если на аноде тиристора возможно отрицательное напряжение.

Рассмотрим работу этого «открытия». Если управляющее напряжение менее 1V – всё закрыто. Лампа не горит. В других случаях: когда начинается положительный полупериод сети, начинает заряжаться и конденсатор через цепь управления. Потенциал на управляющем электроде тиристора будет повторять потенциал на верхней обкладке конденсатора, но со сдвигом 0.6V вниз. При достижении порога открывания тиристора он и откроется. Напряжение на коллекторе транзистора станет меньше, чем на эмитере, и усиливать ток базы он уже не будет. Ток базы станет равен току эмитера (в 20…50 раз больше, чем был до открывания тиристора). Конденсатор, вследствие этого, начнёт разряжаться, напряжение на нём падать до уровня ниже уровня запуска тиристора и будет таким, пока не закроется тиристор. А закроется он при прохождении напряжения сети через ноль. Затем всё начнётся заново. И чем больше будет управляющее напряжение, тем ближе к началу полупериода откроется тиристор, ярче будет гореть лампа. Вот и всё.

Несколько наблюдений: для ламп до 100 ватт – радиатор под тиристор необязателен, при двух- и при одно-полупериодном применении ничего менять не надо (выпрямитель, конечно, нужен), подойдут тиристоры с током запуска, отличающимся не более чем в два раза в большую или меньшую сторону по сравнению с КУ 202 (КУ201, более современные с током анода 5…25А), для одно-полупериодного применения пойдут и симисторы с током анода 5…30А без других изменений. Я нигде не ставил радиатор транзистору (не грелся), ток управления тиристором должен быть не более 10 mA (не замерял), следовательно транзистор и диод на 100 mA дадут достаточную надёжность.

Мне это кажется таким простым, что даже не знаю, о чём ещё писать.
Постараюсь позже представить Вашему вниманию пару применений данной идеи.
И ещё: дико извиняюсь если всем это давно известно.

Аурел (AKM)

Молдова, Кишинёв

Люблю что-то делать своими руками. электросеть,отопление,мебель,и особенно разные схемы. До паяльника дорвался в 8 классе.
Начал как положено с детекторного. Напаял ЦМУ, зарядные для автомобильных АКБ, УЗЧ, Собирал телевизоры, дорабатывал Ноту 220С,
таймера, ДУ, БП, разную мелочь.
Есть небольшие свои разработки. Пришёл за информацией. Не верю мелким дом. кинотеатрам. Хочу сделать всё из «авто»-динамиков. Вижу я не один.

 

datagor.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о