Управление тиристором в цепи постоянного тока — Dudom
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.
Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.
После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение.
То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).
Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.
Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.
После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.
Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.
Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами
Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.
Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.
Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.
Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.
Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.
По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.
Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.
На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода.
Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.
Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.
Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:
Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими.
Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».
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…
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.
Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.
После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).
Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.
Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.
После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.
Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.
Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами
Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.
Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.
Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.
Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.
Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.
По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт.
Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.
Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.
На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.
Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.
Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль.
Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:
Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».
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…
Шкафы управления электрообогревом — Тиристорные панели
Системы связи
Доступны интерфейсы управления Ethernet, Modbus RS-432 и RS-485.
Двухпозиционное управление
Для областей применения, где точное управление не является важным, мы предлагаем двухпозиционное управление (ВКЛ/ВЫКЛ). Двухпозиционные выключатели предназначены для набора/сброса нагрузки нагревателя. Предохранительными средствами служат термостаты или в случае немного повышенной точности используются электронные регуляторы с термометром сопротивления PT100 или термопары, как датчики. В случае если нагрузки превышают переключающую способность термостатов или регуляторов, нагрузка переключается с помощью контактора.
Пошаговый контроль
Для более точного контроля, в отличие от двухпозиционного, и для регулирования нагревательных систем с большими нагрузками мы предлагаем пошаговый контроль.
Для обеспечения контроля максимальной точности используются тиристоры.
Фазовый контроль (p)
Каждый тиристор срабатывает каждые пол-цикла переменного электропитания, что приводит к прекращению его подачи в конце каждого полуцикла, так как ток падает до нуля. В данном случае волна подачи питания срезается в результате понижения среднеквадратичного выходного сигнала стека тиристора. Фазовые фототиристоры, обеспечивающие равномерный, плавный контроль подаваемого напряжения, подходят для нагревательных элементов с большими перепадами сопротивления между температурой охлаждения и рабочей температурой.
Синхронизируемое отключение при нулевом напряжении (z)
Тиристоры срабатывают в начале цикла главной сети питания и проводят ток в течение одного или нескольких циклов до момента отключения.
Цикличное отключение при нулевом напряжении (c)
Оптимальный тип синхронизированных тиристоров это тип с одноцикличной синхронизацией, где средняя подводимая мощность всегда имеет значение больше минимально возможного количества полных циклов (т.е. 50% мощности = цикл «ВКЛ» + 1 цикл «ВЫКЛ»). У активных нагрузок, контролируемых быстроцикличными тиристорами, предусмотрен коэффициент мощности, равный единице, и так как к нагрузке поступают только полные циклы главной сети питания, распределение кумулятивных вероятностей у сети электропитания отсутствует. Однако в случае больших нагрузок, перепад напряжения может привести к мерцанию светодиодов на панели оборудования и пагубно влиять на само оборудование.
Комбинация тиристоров для управления нагрузкой
В случае очень больших нагрузок, или когда нагреватель является основным потребителем электроэнергии, его нагрузка распределяется на определенное количество небольших единиц, каждая из которых контролируется своим собственным тиристором. Контроль с помощью синхронизирующей платы управления гарантирует, что каждый тиристор будет постоянно включаться и выключаться в течение установленного периода времени. Пиковые нагрузки, образуемые одновременными действиями регулятора, не образуются и значения нагрузок выравниваются.
Тиристорные панели управления
Последняя страница газы Жидкости
Большинство отопительных приборов мы поставляем вместе с полной системой управления. Для обеспечения полной совместимости и оптимального дизайна предпочтительнее полное изготовление как нагревательного блока, так и системы управления.
Эффективность каждой системы отопления зависит от возможности точного управления ею. Поэтому мы накопили большой опыт в предложении наилучшего решения для управления каждой системой отопления. Доступен полный спектр систем управления для взрывоопасных зон с типами взрывозащиты Ex d, Ex de и Ex p.
Двухпозиционное управление
Для применений, где точность управления не важна, подходит двухпозиционное управление. Управление включением-выключением включает или выключает всю нагрузку нагревателя. Устройствами управления могут быть термостаты или электронные контроллеры с несколько большей точностью с термометром сопротивления PT100 или термопарой в качестве датчика. Для нагрузок, превышающих коммутационную способность термостатов или контроллера, нагрузка переключается через контактор.
Ступенчатое управление
Для более точного управления, чем двухпозиционное, и для управления системами отопления с высокой нагрузкой рекомендуется ступенчатое управление. Загрузка нагревателя делится на несколько ступеней.
Каждая ступень переключается отдельным контактором. В зависимости от разницы между заданной температурой и температурой процесса ступенчатый регулятор выбирает количество ступеней, которые необходимо включить.
Тиристорное управление
Для высокой точности управления используются тиристорные устройства.
Контроль фазового угла
Каждый тиристор срабатывает один раз в каждом полупериоде прекращения подачи переменного тока в конце полупериода, когда ток падает до нуля. Таким образом, форма волны питания срезается, что приводит к уменьшению среднеквадратичного значения выходного сигнала тиристорного блока. Тиристоры с фазовым управлением обеспечивают плавное бесступенчатое регулирование приложенного напряжения, они очень подходят для нагревательных элементов с большой разницей сопротивлений между холодной и рабочей температурой.
Переключение при нулевом напряжении по времени
Тиристоры срабатывают в начале сетевого цикла и остаются проводящими в течение одного или нескольких полных циклов, прежде чем отключаются в течение одного или нескольких циклов.
Эта операция непрерывно повторяется, что ограничивает среднюю мощность, подводимую к элементам. Тиристоры с медленным циклом обычно имеют время цикла в несколько секунд и не подходят для прямого управления нагревателями с большой разницей сопротивления между холодной и рабочей температурой.
Циклическое базовое переключение при нулевом напряжении
Оптимальным типом импульсных тиристоров является однотактный импульсный тип, при котором средняя потребляемая мощность всегда достигается за минимально возможное количество полных циклов (т.е. 50% мощности = цикл » на «+ 1 цикл» на «). Резистивные нагрузки, управляемые быстродействующими тиристорами, имеют коэффициент мощности, равный единице, и, поскольку на нагрузку подается только полный сетевой цикл, кумулятивные искажения сетевого питания отсутствуют. Однако при больших нагрузках падение напряжения может вызвать мерцание индикаторов, а также повлиять на чувствительное оборудование.
Комбинация тиристорных блоков
Для очень больших нагрузок или когда нагреватель представляет собой значительную часть мощности по выработке электроэнергии, нагрузка нагревателя делится на несколько небольших блоков, каждый из которых управляется собственным тиристором.
Синхронизирующая плата управления обеспечивает последовательное включение и выключение каждого тиристора в течение заданного периода времени. Отсутствуют пиковые нагрузки, генерируемые одновременным действием контроллера, а доли нагрузки выровнены.
Пожалуйста, свяжитесь с нашим техническим отделом для получения подробной информации.
Ontwerp в реализации: Studio Tempel
Регуляторы мощности SCR и тиристорные регуляторы мощности
Фильтры
Очистить фильтры
Диапазон напряжения (В)
от 230 до 500 (2)
от 230 до 690 (1)
от 230 до 600 (1)
Фазы
3 (4)
2 (4)
1 (4)
Режимы работы
ТАКТ (4)
ВАР (3)
ВТ (1)
ВСК (1)
КТМ (1)
Экран дисплея
Нет (2)
Да (1)
Светодиодный сенсорный экран (1)
Прозрачные фильтры
Брошюра о контроллерах мощности семейства Thyro SCR
Контроллеры питания Tyro SCR
Гибкость и производительность объединяются с контроллерами мощности Advanced Energy Thyro SCR.