Тиристоры — это разновидность полупроводниковых приборов. Они предназначены для регулирования и коммутации больших токов. Тиристор позволяет коммутировать электрическую цепь при подаче на него управляющего сигнала. Это делает его похожим на транзистор.
Как правило, тиристор имеет три вывода, один из которых управляющий, а два других образуют путь для протекания тока. Как мы знаем, транзистор открывается пропорционально величине управляющего тока. Чем он больше, тем больше открывается транзистор, и наоборот. А у тиристора все устроено иначе. Он открывается полностью, скачкообразно. И что самое интересное, не закрывается даже при отсутствии управляющего сигнала.
Принцип действия
Рассмотрим работу тиристора по следующей простой схеме.
К аноду тиристора подключается лампочка или светодиод, а к ней подсоединяется плюсовой вывод источника питания через выключатель К2. Катод тиристора подключен к минусу питания. После включения цепи на тиристор подается напряжение, однако светодиод не горит.
Если нажать на кнопку К1, ток через резистор поступит на управляющий электрод, и светодиод начал светиться. Часто на схемах его обозначают буквой «G», что обозначает gate, или по-русски затвор (управляющий вывод).
Резистор ограничивает ток управляющего вывода. Минимальный ток срабатывания данного рассматриваемого тиристора составляет 1 мА, а максимально допустимый ток 15 мА. С учетом этого в нашей схеме подобран резистор сопротивлением 1 кОм.
Если снова нажать на кнопку К1, то это не повлияет на тиристор, и ничего не произойдет. Чтобы перевести тиристор в закрытое состояние, нужно отключить питание выключателем К2. Если же снова подать питание, то тиристор вернется в исходное состояние.
Этот полупроводниковый прибор, по сути, представляет собой электронный ключ с фиксацией. Переход в закрытое состояние происходит и тогда, когда напряжение питания на аноде уменьшается до определенного минимума, примерно 0,7 вольта.
Особенности устройства
Фиксация включенного состояния происходит благодаря особенности внутреннего устройства тиристора. Примерная схема выглядит таким образом:
Обычно он представляется в виде двух транзисторов разной структуры, связанных между собой. Опытным путем можно проверить, как работают транзисторы, подключенные по такой схеме. Однако, имеются отличия в вольтамперной характеристике. И еще нужно учитывать, что приборы изначально спроектированы так, чтобы выдерживать большие токи и напряжения. На корпусе большинства таких приборов имеется металлический отвод, на который можно закрепить радиатор для рассеивания тепловой энергии.
Тиристоры выполняются в различных корпусах. Маломощные приборы не имеют теплового отвода. Распространенные отечественные тиристоры выглядят следующим образом. Они имеют массивный металлический корпус и выдерживают большие токи.
Основные параметры тиристоров
Максимально допустимый прямой ток . Это максимальное значение тока открытого тиристора. У мощных приборов оно достигает сотен ампер.
Максимально допустимый обратный ток
.
Прямое напряжение
.
Это падение напряжения при максимальном токе.
Обратное напряжение
.
Это максимально допустимое напряжение на тиристоре в закрытом состоянии, при котором тиристор может работать без нарушения его работоспособности.
Напряжение включения
.
Это минимальное напряжение, приложенное к аноду. Здесь имеется ввиду минимальное напряжение, при котором вообще возможна работа тиристора.
Минимальный ток управляющего электрода
.
Он необходим для включения тиристора.
Максимально допустимый ток управления
.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность
.
Динамический параметр
Время перехода тиристора из закрытого состояния в открытое при поступлении сигнала.
Виды тиристоров
Различают несколько разновидностей тиристоров. Рассмотрим их классификацию.
По способу управления разделяют на:
- Диодные тиристоры, или по-другому динисторы. Они открываются импульсом высокого напряжения, которое подается на катод и анод.
- Триодные тиристоры, или тринисторы. Они открываются током управления электродом.
Триодные виды тиристоров в свою очередь разделяются:
- Управление катодом – напряжение, образующее ток управления, поступает на электрод управления и катод.
- Управление анодом – управляющее напряжение подходит на электрод и анод.
Запирание тиристора производится:
- Уменьшением анодного тока – катод меньше тока удержания.
- Подачей напряжения запирания на электрод управления.
По обратной проводимости тиристоры делятся:
- Обратно-проводящие – имеют малое обратное напряжение.
- Обратно-непроводящие – обратное напряжение равно наибольшему прямому напряжению в закрытом виде.
- С ненормируемым обратным значением напряжения – изготовители не определяют значение этой величины. Такие приборы применяются в местах, где обратное напряжение исключено.
- Симисторы – пропускает токи в двух направлениях.
Используя симисторы, нужно знать, что они действуют условно симметрично. Основная часть симисторов открывается, когда на электрод управления поступает положительное напряжение по сравнению с катодом, а на аноде может быть любая полярность. Но если на анод приходит отрицательное напряжение, а на электрод управления положительное, то симисторы не открываются, и могут выйти из строя.
По быстродействию разделяют по времени отпирания (включения) и времени запирания (отключения).
Разделение тиристоров по мощности
При действии тиристора в режиме ключа наибольшая мощность коммутируемой нагрузки определяется напряжением на тиристоре в открытом виде при наибольшем токе и наибольшей рассеиваемой мощности.
Действующая величина тока на нагрузку не должна быть выше наибольшей рассеиваемой мощности, разделенной на напряжение в открытом виде.
Простая сигнализация на основе тиристора
На основе тиристора можно сделать простую сигнализацию, которая будет реагировать на свет, издавая звук с помощью пьезоизлучателя. На управляющий вывод тиристора подается ток через фоторезистор и подстроечный резистор. Свет, попадая на фоторезистор, уменьшает его сопротивление. И на управляющий вывод тиристора начинает поступать отпирающий ток, достаточный для его открывания. После этого включается пищалка.
Подстроечный резистор предназначен для того, чтобы настроить чувствительность устройства, то есть, порог срабатывания при облучении светом. Самое интересное, что даже при отсутствии света тиристор продолжает оставаться в открытом состоянии, и сигнализирование не прекращается.
Если напротив светочувствительного элемента установить световой луч так, чтобы он светил немного ниже окошечка, то получится простейший датчик дыма. Дым, попадая между источником и приемником света, будет рассеивать свет, что вызовет запуск сигнализации. Для этого устройства обязательно нужен корпус, для того, чтобы на приемник света не поступал свет от солнца или искусственных источников света.
Открыть тиристор можно и другим способом. Для этого достаточно кратковременно подать небольшое напряжение между управляющим выводом и катодом.
Регулятор мощности на тиристоре
Теперь рассмотрим использование тиристора по прямому назначению. Рассмотрим схему простого тиристорного регулятора мощности, который будет работать от сети переменного тока напряжением 220 вольт. Схема простая и содержит всего пять деталей.
Полупроводниковый диод VD.
Переменный резистор R1.
Постоянный резистор R2.
Конденсатор С.
Тиристор VS.
Их рекомендованные номинальные значения показаны на схеме. В качестве диода можно использовать КД209, тиристор КУ103В или мощнее. Резисторы желательно использовать мощностью не менее 2 ватт, конденсатор электролитический на напряжение не менее 50 вольт.
Эта схема регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Если представить, что мы из схемы убрали все элементы, кроме диода, то он будет пропускать только полуволну переменного тока, и на нагрузку, к примеру, на паяльник или лампу накаливания поступит лишь половина мощности.
Тиристор позволяет пропускать дополнительные, условно говоря, кусочки полупериода, срезанного диодом. При изменении положения переменного резистора R1 напряжение на выходе будет меняться.
К положительному выводу конденсатора включен управляющий вывод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, он открывается и пропускает определенную часть положительного полупериода. Переменный резистор будет определять скорость зарядки конденсатора. А чем быстрее он зарядится, тем раньше откроется тиристор, и успеет до смены полярности пропустить часть положительного полупериода.
На конденсатор отрицательная полуволна не поступает, и напряжение на нем одной полярности, поэтому не страшно, что он имеет полярность. Схема позволяет изменять мощность от 50 до 100%. Для паяльника это в самый раз подходит.
Тиристор пропускает ток в одном направлении от анода к катоду. Но существуют разновидности, которые пропускают ток в обоих направлениях. Они называются симметричными тиристорами или симисторами. Они используются для управления нагрузкой в цепях переменного тока. Существует большое количество схем регуляторов мощности на их основе.
♦ Как мы уже выяснили – тиристор, это полупроводниковый прибор, обладающий свойствами электрического вентиля. Тиристор с двумя выводами (А — анод, К — катод) , это динистор. Тиристор с тремя выводами (А – анод, К – катод, Уэ – управляющий электрод) , это тринистор, или в обиходе его называют просто тиристор.
♦ С помощью управляющего электрода (при определенных условиях) можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть переводить его из состояния «выключено» в состояние «включено».
Тиристор открывается в случае, если приложенное напряжение между анодом и катодом превысит величину U = Uпр
, то есть величину напряжения пробоя тиристора;
Тиристор можно открыть и при напряжении меньше, чем Uпр
между анодом и катодом (U < Uпр)
, если подать импульс напряжения положительной полярности между управляющим электродом и катодом.
♦ В открытом состоянии тиристор может находиться сколько угодно долго, пока на него подано питающее напряжение.
Тиристор можно закрыть:
- — если уменьшить напряжение между анодом и катодом до U = 0 ;
- — если снизить анодный ток тиристора до величины, меньше тока удержания Iуд .
- — подачей запирающего напряжения на управляющий электрод, (только для запираемых тиристоров).
Тиристор может также находиться в закрытом состоянии сколько угодно долго, до прихода запускающего импульса.
Тиристоры и динисторы работают как в цепях постоянного, так и в цепях переменного тока.
Работа динистора и тиристора в цепях постоянного тока.
Рассмотрим несколько практических примеров.
Первый пример применения динистора, это релаксационный генератор звуковых сигналов
.
В качестве динистора используем КН102А-Б.
♦ Работает генератор следующим образом.
При нажатии кнопки Кн
, через резисторы R1 и R2
постепенно заряжается конденсатор С
(+ батареи – замкнутые контакты кнопки Кн – резисторы – конденсатор С – минус батареи).
Параллельно конденсатору подключена цепочка из телефонного капсюля и динистора. Через телефонный капсюль и динистор ток не протекает, так как динистор еще «заперт».
♦ При достижении на конденсаторе напряжения, при котором пробивается динистор, через катушку телефонного капсюля проходит импульс тока разряда конденсатора (С – катушка телефона – динистор — С). Слышен щелчок из телефона, конденсатор разрядился. Далее снова идет заряд конденсатора С и процесс повторяется.
Частота повторения щелчков зависит от емкости конденсатора и величины сопротивления резисторов R1 и R2
.
♦ При указанных на схеме номиналах напряжения, резисторов и конденсатора, частоту звукового сигнала с помощью резистора R2 можно менять в пределах 500 – 5000
герц. Телефонный капсюль необходимо использовать с низкоомной катушкой 50 – 100 Ом
, не более, например телефонный капсюль ТК-67-Н
.
Телефонный капсюль необходимо включать с соблюдением полярности, иначе не будет работать. На капсюле есть обозначение +(плюс) и – (минус).
♦ У этой схемы (рис 1) есть один недостаток. Из-за большого разброса параметров динистора КН102 (разное напряжение пробоя), в некоторых случаях, нужно будет увеличить напряжение источника питания до 35 – 45 вольт , что не всегда возможно и удобно.
Устройство управления, собранное на тиристоре, для включения – выключения нагрузки с помощью одной кнопки показано на рис 2.
Устройство работает следующим образом.
♦ В исходном состоянии тиристор закрыт и лампочка не горит.
Нажмем на кнопку Кн в течении 1 – 2 секунды
. Контакты кнопки размыкаются, цепь катода тиристора разрывается.
В этот момент конденсатор С
заряжается от источника питания через резистор R1
. Напряжение на конденсаторе достигает величины U
источника питания.
Отпускаем кнопку Кн
.
В этот момент конденсатор разряжается по цепи: резистор R2 – управляющий электрод тиристора – катод — замкнутые контакты кнопки Кн – конденсатор.
В цепи управляющего электрода потечет ток, тиристор «откроется»
.
Загорается лампочк
а по цепи: плюс батареи – нагрузка в виде лампочки – тиристор — замкнутые контакты кнопки – минус батареи.
В таком состоянии схема будет находиться сколько угодно долго
.
В этом состоянии конденсатор разряжен: резистор R2, переход управляющий электрод – катод тиристора, контакты кнопки Кн.
♦ Для выключения лампочки необходимо кратковременно нажать на кнопку Кн
. При этом основная цепь питания лампочки обрывается. Тиристор «закрывается»
. Когда контакты кнопки замкнутся, тиристор останется в закрытом состоянии, так как на управляющем электроде тиристора Uynp = 0
(конденсатор разряжен).
Мною опробованы и надежно работали в этой схеме различные тиристоры: КУ101, Т122, КУ201, КУ202, КУ208 .
♦ Как уже упоминалось, динистор и тиристор имеют свой транзисторный аналог .
Схема аналога тиристора состоит из двух транзисторов и изображена на рис 3
.
Транзистор Тр 1 имеет p-n-p
проводимость, транзистор Тр 2 имеет n-p-n
проводимость. Транзисторы могут быть как германиевые, так и кремниевые.
Аналог тиристора имеет два управляющих входа.
Первый вход: А – Уэ1
(эмиттер — база транзистора Тр1).
Второй вход: К – Уэ2
(эмиттер – база транзистора Тр2).
Аналог имеет: А – анод, К — катод, Уэ1 – первый управляющий электрод, Уэ2 – второй управляющий электрод.
Если управляющие электроды не использовать, то это будет динистор, с электродами А — анод и К — катод .
♦ Пару транзисторов, для аналога тиристора, надо подбирать одинаковой мощности с током и напряжением выше, чем необходимо для работы устройства. Параметры аналога тиристора (напряжение пробоя Unp, ток удержания Iyд) , будут зависеть от свойств применяемых транзисторов.
♦ Для более устойчивой работы аналога в схему добавляют резисторы R1 и R2 . А с помощью резистора R3 можно регулировать напряжение пробоя Uпр и ток удержания Iyд аналога динистора – тиристора. Схема такого аналога изображена на рис 4 .
Если в схеме генератора звуковых частот (рис 1) , вместо динистора КН102 включить аналог динистора, получится устройство с другими свойствами (рис 5) .
Напряжение питания такой схемы составит от 5 до 15 вольт . Изменяя величины резисторов R3 и R5 можно изменять тональность звука и рабочее напряжение генератора.
Переменным резистором R3 подбирается напряжение пробоя аналога под используемое напряжение питания.
Потом можно заменить его на постоянный резистор.
Транзисторы Тр1 и Тр2: КТ502 и КТ503; КТ814 и КТ815 или любые другие.
♦ Интересна схема стабилизатора напряжения с защитой от короткого замыкания в нагрузке (рис 6) .
Если ток в нагрузке превысит 1 ампер , сработает защита.
Стабилизатор состоит из:
- — управляющего элемента– стабилитрона КС510 , который определяет напряжение выхода;
- — исполнительного элемента–транзисторов КТ817А, КТ808А , исполняющих роль регулятора напряжения;
- — в качестве датчика перегрузки используется резистор R4 ;
- — исполнительным механизмом защиты используется аналог динистора, на транзисторах КТ502 и КТ503 .
♦ На входе стабилизатора в качестве фильтра стоит конденсатор С1
. Резистором R1
задается ток стабилизации стабилитрона КС510
, величиной 5 – 10 мА.
Напряжение на стабилитроне должно быть 10 вольт
.
Резистор R5
задает начальный режим стабилизации выходного напряжения.
Резистор R4 = 1,0 Ом , включен последовательно в цепь нагрузки.Чем больше ток нагрузки, тем больше на нем выделяется напряжение, пропорциональное току.
В исходном состоянии, когда нагрузка на выходе стабилизатора мала или отключена, аналог тиристора закрыт. Приложенного к нему напряжения 10 вольт (от стабилитрона) не хватает для пробоя. В этот момент падение напряжения на резисторе R4
почти равно нулю.
Если постепенно увеличивать ток нагрузки, будет увеличиваться падение напряжения на резисторе R4
. При определенном напряжении на R4, аналог тиристора пробивается и установится напряжение, между точкой Тчк1
и общим проводом, равное 1,5 — 2,0 вольта
.
Это есть напряжение перехода анод — катод открытого аналога тиристора.
Одновременно загорается светодиод Д1
, сигнализируя об аварийной ситуации. Напряжение на выходе стабилизатора, в этот момент, будет равно 1,5 — 2,0 вольта
.
Чтобы восстановить нормальную работу стабилизатора, необходимо выключить нагрузку и нажать на кнопку Кн
, сбросив блокировку защиты.
На выходе стабилизатора вновь будет напряжение 9 вольт
, а светодиод погаснет.
Настройкой резистора R3
, можно подобрать ток срабатывания защиты от 1 ампера и более
. Транзисторы Т1 и Т2
можно ставить на один радиатор без изоляции. Сам же радиатор изолировать от корпуса.
В различных электронных устройствах в цепях переменного тока в качестве силовых ключей широко применяют тринисторы и симисторы. Данная статья призвана помочь в выборе схемы управления подобными приборами.
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.
Одним из вариантов снижения потребляемой узлом управления мощности является использование вместо постоянного тока непрерывной последовательности импульсов с относительно большой скважностью. Поскольку время включения типовых тринисторов составляет 10 мкс и менее, можно подавать на их управляющий электрод импульсы такой же длительности со скважностью, например, 5–10–20, что соответствует частоте 20–10–5 кГц. В этом случае потребляемая мощность также уменьшается в 5–10–20 раз соответственно.
Однако при таком способе управления выявляются некоторые новые недостатки. Во-первых, теперь тиристор включается не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в произвольные моменты времени, отстоящие от начала полупериода на время, не превышающее периода запускающих импульсов, т. е. 50–100–200 мкс.
За это время напряжение сети может возрасти примерно до 5–10–20 В. Это приводит к возникновению помех радиоприему и к некоторому уменьшению выходного напряжения, впрочем, малозаметному.
Существует еще одна проблема. Если при включении в начале полупериода во время действия запускающего импульса ток через тиристор не достигнет тока удержания (Iуд, табл. 1), тиристор после окончания импульса выключится. Следующий импульс вновь включит тиристор, и он не выключится лишь в том случае, если к моменту окончания импульса ток через него будет больше тока удержания. Таким образом, ток через нагрузку сначала будет иметь вид нескольких коротких импульсов и лишь потом - синусоидальную форму.
Если же нагрузка имеет активноиндуктивный характер (например, электродвигатель), ток через нее за время действия короткого включающего импульса может не успеть достичь величины тока удержания, даже когда мгновенное напряжение в сети максимально. Тиристор после окончания каждого импульса будет выключаться. Этот недостаток ограничивает снизу длительность запускающих импульсов и может свести на нет уменьшение потребляемой мощности.
Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском
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.
Схема включения тиристора и симистора с импульсным запуском.
Снижение требуемой при импульсном управлении мощности и возможность введения гальванической развязки позволяют применить в узлах управления тиристорами бестрансформаторное питание.
Включение тиристора через ключ и ограничительный резистор
Третий широко распространенный способ включения тиристоров - 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 малошумящие электромагнитные реле, высоковольтные биполярные транзисторы, фотодинисторы или фотосимисторы (схемы на рис. 2 соответственно). Способ включения тиристора прост и удобен, не критичен 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. В табл. 2 приведены некоторые параметры наиболее часто применяемых отечественных фототиристоров (приборы серий АОУ103/3ОУ103 и АОУ115 - фотодинисторы, АОУ - фотосимисторы). Исходя из значений максимально допустимого импульсного тока управления (табл. 1) и максимального импульсного тока через ключ (табл. 2), можно для каждой конкретной пары приборов определить минимально допустимое сопротивление ограничительного резистора. Например, для пары КУ208Г (Iу, вкл макс = 1 А) и АОУ160А (Iмакс, имп = 2 А) можно выбрать R1 = 330 Ом. Если ток управляющего электрода, при котором происходит включение симистора, соответствует его максимальному значению 160 мА, симистор будет включаться при напряжении на аноде равном 0,16·330 = 53 В.
Как и в случае с подачей управляющих импульсов относительно большой скважности, 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.
Из фотодинисторов серии АОУ103/3ОУ103 для управления тиристорами в сети 220 В по максимально допустимому напряжению подходят только 3ОУ103Г, однако неоднократно проверено, что и АОУ103Б и АОУ103В годятся для работы в этом режиме.
Различие между приборами с индексами Б и В заключается в том, что подача напряжения обратной полярности на АОУ103Б не допускается. Аналогично и различие между АОУ115Г и АОУ115Д: приборы с индексом Д допускают подачу обратного напряжения с индексом Г - нет.
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. При всей кажущейся привлекательности узлы, выполненные по схемам, приведенным на рис. 3, и им аналогичные, обладают существенным недостатком: если по какойлибо причине тиристор не включится, ток через его управляющий электрод будет идти неопределенно долго. Поэтому необходимо предпринимать специальные меры по ограничению длительности импульса или рассчитывать источник питания на полный ток, т. е. на такую же мощность, как и для узлов по схеме на рис. 1.
Наиболее экономичные схемы управления используют формирование одиночного включающего импульса вблизи перехода сетевого напряжения через нуль. Две несложных схемы таких формирователей приведены на рис. 4, а временные диаграммы их работы - на рис. 5 (а и б соответственно). Недостатком, впрочем совершенно несущественным в большинстве случаев, является то, что первое включение происходит не в самом начале полупериода сетевого напряжения, а в самом конце того, во время которого был замкнут ключ SA1.
Двойная длительность включающего импульса 2Т0 определяется порогом переключения элемента ИЛИ НЕ с учетом делителя R2R3 (рис. 4, а) или порогом формирователя на VT1, VT2 (рис. 4, б), и рассчитывается по формуле
13.jpg (613 bytes)
Скорость изменения сетевого напряжения при переходе через нуль
14.jpg (926 bytes)
и при Uпор = 50 В двойная длительность составит 2Т0 = 1 мс. Скважность импульсов равна 10, и средний потребляемый ток в 10 раз меньше амплитудного значения, необходимого для надежного включения тиристора.
Минимальная длительность включающего импульса определяется тем, что он должен оканчиваться не ранее, чем ток через нагрузки достигнет тока удержания тиристора. Например, если нагрузка имеет мощность 200 Вт (Rн = 2202/200 = 242 Ом), а ток удержания симистора КУ208 - 150 мА, то этот ток достигается при мгновенном напряжении в сети 242·0, 15 = 36 В, т. е. при скорости нарастания 100 В/мс окончание импульса запуска должно быть не ранее, чем через 360 мкс от момента перехода напряжения через нуль. Снизить потребляемую мощность еще примерно в десять раз можно за счет подачи на третий вход элементов ИЛИ - НЕ схем на рис. 4 непрерывной последовательности импульсов (показано штриховыми линиями), как это было упомянуто в начале статьи применительно к узлам по схемам на рис. 1. При этом проявляются те же недостатки, что и при непрерывной подаче импульсов на управляющий электрод.
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.
Если же нагрузка имеет выраженный индуктивный характер, можно рекомендовать схемы управления, приведенные на рис. 2. Для уменьшения помех радиоприему необходимо включение в сетевые провода помехоподавляющих фильтров, а если провода от регулятора до нагрузки имеют заметную длину, то и в эти провода тоже.
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.
♠ Система управления тиристорами в цепях переменного и пульсирующего тока использует, синхронизированную с сетью, бесконечную серию управляющих импульсов и осуществляет сдвиг фазы фронтов управляющих импульсов относительно перехода напряжения сети через ноль.
Сформированный специальным устройством управляющий импульс подается на переход управляющий электрод – катод тиристора, которым и подключает электрическую сеть в нагрузку.
Разберем работу такой системы на примере регулятора температуры жала электрического паяльника мощностью до 100 ватт и напряжением 220 вольт
. Схема этого устройства изображена на рис 1
.
♠ Регулятор температуры электрического паяльника в сети переменного тока 220
вольт, состоит из диодного мостика на КЦ405А
, тиристора КУ202Н
, стабилитрона, узла формирования импульсов управления.
С помощью мостика переменное напряжение превращается в пульсирующее напряжение (Umax = 310 B)
положительной полярности (точка Т1)
.
Узел формирования состоит:
— стабилитрон, формирует за каждый полупериод трапецевидное напряжение (точка Т2)
;
— временная зарядно-разрядная цепочка R2, R3, C
;
— аналог динистора Тр1, Тр2
.
С резистора R4 снимается напряжение импульса для запуска тиристора (точка 4) .
На графиках (рис 2) показан процесс формирования напряжений в точках Т1 – Т5 при изменении переменного резистора R2 от нуля до максимума.
Через резистор R1
пульсирующее напряжение сети поступает на стабилитрон КС510
.
На стабилитроне формируется напряжение трапецевидной формы величиной 10 вольт (точка Т2)
. Оно определяет начало и конец участка регулирования.
♠ Параметры временной цепочки (R2, R3, C)
подобраны так, чтобы за время одного полупериода конденсатор С
успел зарядиться полностью.
С началом перехода напряжения сети Uc
через ноль, с появлением трапецеидального напряжения, начинает расти напряжение на конденсаторе С
. При достижении напряжения на конденсаторе Uк = 10 вольт
, пробивается аналог тиристора (Тр1, Тр2)
. Конденсатор С
через аналог разряжается на резистор R4
и, включенный параллельно ему, переход Уэ – К
тиристора (точка Т3)
и включает тиристор.
Тиристор КУ202
пропускает основной ток нагрузи по цепи: сеть – КЦ405 – спираль паяльника – анод – катод тиристора – КЦ405 – предохранитель — сеть
.
Резисторы R5 — R6
служат для устойчивой работы устройства.
♠ Запуск управляющего узла автоматически синхронизирован с напряжением Uc
сети.
Стабилитрон может быть Д814В,Г,Д. или КС510,КС210
на напряжение 9 – 12 вольт.
Переменный резистор R2 – 47 — 56 Ком
мощностью не менее 0,5 ватт
.
Конденсатор С – 0,15 — 0,22 мкФ
, не более.
Резистор R1
– желательно набрать из трех резисторов по 8,2 Ком
, двух ваттных, чтобы не сильно нагревались.
Транзисторы Тр1, Тр2 – пары КТ814А, КТ815А; КТ503А, КТ502А
и др.
♠ Если регулируемая мощность не превысит 100 ватт
, можно использовать тиристор без радиатора. Если мощность нагрузки больше 100 ватт
необходим радиатор площадью 10 – 20 см.кв
.
♠ В данном импульсно – фазовом методе импульс запуска для тиристора вырабатывается в пределах всего полупериода.
Т.е. происходит регулировка мощности почти от ноля до 100%, при регулировании фазового угла от а=0 до а=180
градусов.
На графиках в точке №5
показаны формы напряжений на нагрузке при выборочных фазовых углах: а = 160, а = 116, а = 85, а = 18
градусов.
При значении а = 160 градусов
, тиристор закрыт почти во все время прохождения полупериода сетевого напряжения (мощность в нагрузке очень мала).
При значении а = 18 градусов
, тиристор открыт почти во все время действия полупериода (мощность в нагрузке равна почти 100%
).
В графиках в точке №4
во время открытия тиристора, вместе с появлением запускающего импульса, добавляется падение напряжения на открытом тиристоре (Uп
на графике в точке №4
).
Все показанные эпюры напряжений в точках Т1 — Т5 , относительно точки Т6 , можно посмотреть на осциллографе.
Тиристор в цепи переменного тока. Фазовый метод.
♦ Известно, что электрический ток в бытовой и промышленной сети изменяется по синусоидальному закону. Форма переменного электрического тока частотой 50 герц , представлена на рис 1 а) .
За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0 → (+Umax) → 0 → (-Umax) → 0
.
Если представить себе простейший генератор переменного тока (рис 1 б)
с одной парой полюсов, где получение синусоидального переменного тока определяет поворот рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора в определенное время периода соответствует определенной величине выходного напряжения.
Или, каждому значению величины синусоидального напряжения за период, соответствует определенный угол α поворота рамки. Фазовый угол α , это угол, определяющий значение периодически изменяющейся величины в данный момент времени.
В момент фазового угла:
- α = 0° напряжения U = 0 ;
- α = 90° напряжение U = +Umax ;
- α=180° напряжение U = 0 ;
- α = 270° напряжение U = — Umax ;
- α = 360° напряжение U = 0.
♦ Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях переменного тока как раз и использует эти особенности синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье « »: тиристор, это полупроводниковый прибор, работающий по закону управляемого электрического вентиля. Он имеет два устойчивых состояния. В определенных условиях может иметь проводящее состояние (открыт)
и непроводящее состояние (закрыт)
.
♦ Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С помощью управляющего электрода можно изменять электрическое состояние тиристора, то есть изменять электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в одном направлении - от анода к катоду (симистор пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в пульсирующее напряжение положительной полярности с переходом напряжения через ноль, как на Рис 2
.
♦ Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в момент времени t (во время действия полупериода Uс ) через переход Уэ – К , прошел ток включения Iвкл тиристора.
С этого момента через тиристор идет основной ток катод — анод, до следующего перехода полупериода через ноль, когда тиристор закроется.
Ток включения Iвкл
тиристора можно получить разными способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ – K – -U (на схеме рис 3)
.
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов и подаче их между управляющим электродом и катодом.
♦ В первом случае ток управляющего электрода протекает через переход Уэ – К, постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением Uс ), пока не достигнет величины Iвкл . Тиристор откроется.
фазовым методом .
♦ Во втором случае сформированный в специальном устройстве, короткий импульс в нужный момент времени подается на переход Уэ – К , от которого тиристор открывается.
Такой способ управления тиристором называется импульсно – фазовым методом
.
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора, должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению моментом включения тиристора.
Фазовый метод управления тиристором.
♦ Попробуем на простом примере тиристорного регулятора освещения (схема на рис.3 ) разобрать особенности работы тиристора в цепи переменного тока.
После выпрямительного мостика напряжение представляет собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде:
0→ (+Umax) → 0 → (+Umax) → 0, как на рис.2
♦ Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс
, от момента перехода напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода появляется ток управления Iуп
по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ – К – -U.
С ростом напряжения Uс
растет и ток управления Iуп
(управляющий электрод — катод).
При достижении тока управляющего электрода величины Iвкл , тиристор включается (открывается) и замыкает точки +U и –U на схеме.
Падение напряжения на открытом тиристоре (анод — катод) составляет 1,5 – 2,0
вольта. Ток управляющего электрода упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем состоянии до момента, когда напряжение Uс
сети не упадет до нуля.
С действием нового полупериода напряжения сети, все повторится сначала.
♦ В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост – анод — катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 — Uс.
Лампочка будет загораться
с каждым полупериодом сетевого напряжения и тухнуть при переходе напряжения через ноль.
Проведем небольшие вычисления для примера рис.3
. Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н
ток включения Iвкл = 100 мА
. В реальности же он намного меньше и составляет 10 – 20 мА,
в зависимости от экземпляра.
Возьмем для примера Iвкл = 10 мА
.
Управление моментом включения (регулировка яркости) происходит путем изменения величины переменного сопротивления резистора R1
. Для разных значений резистора R1
, будут разные напряжения пробоя тиристора. При этом момент включения тиристора будет меняться в пределах:
1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.
Фазовый угол α
изменяется в пределах от а = 10, до а = 90
градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.
♦ Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в узком диапазоне угла управления от a = 10°, до а = 90°
.
То есть, в пределах от 90% до 50%
мощности выделяемой на нагрузке.
Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется тем, что в момент времени t=0 – t=1 , ток в цепи управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс не достигло величины 20 вольт).
Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет конденсатора С
.
Если поставить конденсатор С
(в схеме рис 2), диапазон регулирования напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5
.
Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1 ), весь ток идет на зарядку конденсатора С , напряжение между Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.
Как только конденсатор зарядится, ток пойдет через управляющий электрод – катод, тиристор включится.
Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при емкости конденсатора 50 мкФ ). Как проверить тиристор?
На своем блоге я поместил рассылку на бесплатные уроки на тему: .
В этих уроках я, в популярной форме, постарался как можно проще изложить суть работы тиристора: как он устроен, как работает в цепи постоянного и переменного тока. Привел много действующих схем на тиристорах и динисторах.
В этом уроке, по просьбе подписчиков, привожу несколько примеров проверки тиристора на целостность.
Как же проверить тиристор?
Предварительная проверка тиристора проводится с помощью тестера-омметра или цифрового мультиметра
.
Переключатель цифрового мультиметра должен стоять в положении проверки диодов.
С помощью омметра или мультиметра, проверяются переходы тиристора: управляющий электрод – катод
и переход анод – катод.
Сопротивление перехода тиристора, управляющий электрод – катод, должно быть в пределах 50 – 500 Ом.
В каждом случае величина этого сопротивления должна быть примерно одинакова при прямом и обратном измерении. Чем больше величина этого сопротивления, тем чувствительнее тиристор.
Другими словами, будет меньше величина тока управляющего электрода, при котором тиристор переходит из закрытого состояния в открытое состояние.
У исправного тиристора величина сопротивления перехода анод – катод, при прямом и обратном измерении, должна быть очень большой, то есть имеет «бесконечную» величину.
Положительный результат этой предварительной проверки, еще ни о чем не говорит.
Если тиристор уже стоял где то в схеме, у него может быть «прогорел» переход анод — катод. Эту неисправность тиристора мультиметром не определишь.
Основную проверку тиристора нужно проводить, используя дополнительные источники питания. В этом случае полностью проверяется работа тиристора.
Тиристор перейдет в открытое состояние в том случае, если через переход, катод – управляющий электрод, пройдет кратковременный импульс тока, достаточный для открытия тиристора.
Такой ток можно получить двумя способами:
1. Использовать основной источник питания и резистор R, как на рисунке №1.
2. Использовать дополнительный источник управляющего напряжения, как на рисунке №2.
Рассмотрим схему проверки тиристора на рисунке №1.
Можно изготовить небольшую испытательную плату, на которой разместить провода, индикаторную лампочку и кнопки переключения.
Проведем проверку тиристора при питании схемы постоянным током.
В качестве нагрузочного сопротивления и наглядного индикатора работы тиристора, применим маломощную электрическую лампочку на соответствующее напряжение.
Величина сопротивления резистора R
выбирается из расчета, чтобы ток, протекающий через управляющий электрод – катод, был достаточным для включения тиристора.
Ток управления тиристором пройдет по цепи: плюс (+) – замкнутая кнопка Кн1 – замкнутая кнопка Кн2 – резистор R – управляющий электрод – катод – минус (-).
Ток управления тиристора для КУ202 по справочнику равен 0,1 ампера. В реальности, ток включения тиристора, где то 20 – 50 миллиампер и даже меньше. Возьмем 20 миллиампер, или 0,02 ампера.
Основным источником питания может быть любой выпрямитель, аккумулятор или набор батареек.
Напряжение может быть любым, от 5 до 25 вольт.
Определим сопротивление резистора R
.
Возьмем для расчета источник питания U = 12 вольт.
R = U: I = 12 В: 0,02 А = 600 Ом.
Где: U – напряжение источника питания; I – ток в цепи управляющего электрода.
Величина резистора R будет равна 600 Ом.
Если напряжение источника будет, например, 24 Вольта, то соответственно R = 1200 Ом.
Схема на рисунке №1 работает следующим образом.
В исходном состоянии тиристор закрыт, электрическая лампочка не горит. Схема в таком состоянии может находиться сколько угодно долго. Нажмем кнопку Кн2 и отпустим. По цепи управляющего электрода пойдет импульс тока управления. Тиристор откроется. Лампочка будет гореть, даже если будет оборвана цепь управляющего электрода.
Нажмем и отпустим кнопку Кн1. Цепь тока нагрузки, проходящего через тиристор, оборвется и тиристор закроется. Схема придет в исходное состояние.
Проверим работу тиристора в цепи переменного тока.
Вместо источника постоянного напряжения U включим переменное напряжение 12 вольт, от какого либо трансформатора (рисунок №2).
В исходном состоянии лампочка гореть не будет.
Нажмем кнопку Кн2. При нажатой кнопке лампочка горит. При отжатой кнопке — тухнет.
При этом лампочка горит «в пол – накала». Это происходит потому, что тиристор пропускает только положительную полуволну переменного напряжения.
Если вместо тиристора будем проверять симистор, например КУ208, то лампочка будет гореть в полный накал. Симистор пропускает обе полуволны переменного напряжения.
Как проверить тиристор от отдельного источника управляющего напряжения?
Вернемся к первой схеме проверки тиристора, от источника постоянного напряжения, но несколько видоизменив ее.
Смотрим рисунок №3.
В этой схеме ток управляющего электрода подается от отдельного источника. В качестве него можно использовать плоскую батарейку.При кратковременном нажатии на кнопку Кн2, лампочка так же загорится, как и в случае на рисунке №1. Ток управляющего электрода должен быть не менее 15 – 20 миллиампер. Запирается тиристор, так же, нажатием кнопки Кн1.
4. Урок №4 — «Тиристор в цепи переменного тока. Импульсно — фазовый метод»
5. Урок №5 — «Тиристорный регулятор в зарядном устройстве»
В этих уроках, в простой и удобной форме, излагаются основные сведения по полупроводниковым приборам: динисторам и тиристорам.
Что такое динистор и тиристор, выды тиристоров и их вольт — амперные характеристики, работа динисторов и тиристоров в цепях постоянного и переменного тока, транзисторные аналоги динистора и тиристора.
А так же: способы управления электрической мощностью переменного тока, фазовый и импульсно-фазовый методы.
Каждый теоретический материал подтверждается практическими примерами.
Приводятся действующие схемы: релаксационного генератора и фиксированной кнопки, реализованных на динисторе и его транзисторном аналоге; схема защиты от короткого замыкания в стабилизаторе напряжения и многое другое.
Особенно интересна для автолюбителей схема зарядного устройства для аккумулятора на 12 вольт на тиристорах.
Приводятся эпюры формы напряжения в рабочих точках действующих устройств управления переменным напряжением при фазовом и импульсно-фазовом методах.
Чтобы получить эти бесплатные уроки подпишитесь на рассылку, заполните форму подписки и нажмите кнопку «Подписаться».
Ноу-хау разработки, а именно данное изобретение автора относится к области электротехники, а именно используется в аналоговых электронных схемах: электронном реле, следящих устройствах, генераторных схемах; в источниках питания постоянного тока, и предназначено использование тиристора (симистора) в переключающих устройствах для управления транзисторным ключом в динамичном режиме сравнимым логическим уровнем 1 и 0.
Целью является расширение функциональных возможностей тиристора в источнике постоянного тока, который направлен именно управлять транзисторным ключом с мощным выходом в динамичном режиме для коммутирования любой нагрузки.
Поставленная цель достигается тем, что способ управления транзисторным ключом на тиристоре (симисторе) заключается в том, что управляющий электрод транзисторного ключа любой проводимости подключают положительным смещением к тиристорному переключателю между анодом тиристора и катодом диода, коллектором или эмиттером транзистора, таким образом закрывают цепь управляющего электрода ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через управляющий электрод тиристора, а нагрузку подключают в цепь коллектора или эмиттера ключа транзистора между источником питания плюс или минус, через тиристорный переключатель протекает переменно изменяющийся рабочий ток от цепи питающего входа, тиристор открывается током больше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в отрицательное смещение, а отключается током меньше удерживающего и переводит базу ключа транзистора в положительное смещение, причем ток через тиристор раскладывают на два плеча и устанавливают следующую оптимальную пропорцию тока удерживания, переменно изменяющий ток через цепь тиристорного переключателя 10%...20%, при менее котором тиристор отключается, остальной установочный ток через резистор положительного смещения базы ключа транзистора.
Установочный ток через тиристор раскладывают дополнительно через третье плечо задатчика тока, который подключают параллельно резистору положительного смещения ключа транзистора.
Рабочий ток через тиристорный переключатель устанавливают подбором токоограничивающего резистора, который вводят между общей точкой анода тиристора и катода диода, коллектором или эмиттером транзистора тиристорного переключателя.
Рабочим током тиристорного переключателя управляют транзистором любой проводимости, который вводят в цепь питающего входа тиристорного переключателя.
Принцип работы способа управления поясняется чертежами фиг.1-3.
|
|
|
|
Схема управления (фиг.1) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключена между анодом тиристора 8 и катодом диода 9 тиристорного переключателя 2. К тиристорному переключателю 2 подключен вход питающей цепи 6. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен в цепь питающего входа 6, а через резистор 1 подключен с катодом тиристора 8 к минусу. Коллектор ключа транзистора 7 подключен к плюсу, а эмиттер через нагрузку Rн подключен к минусу.
Транзисторный ключ 7 может быть любой проводимости, а нагрузка Rн подключается к цепи эмиттера или коллектора между плюсом или минусом источника питания. Диод 9 закрывает базу ключа транзистора от связи с минусом, в том числе и через цепь управляющего электрода тиристора 8. Такую же функцию может выполнить переход коллектор-эмиттер или эмиттер-коллектор транзистора.
Управляющий электрод тиристора 8 может подключаться к питающему входу 6 через резистор, или конденсатор, или диод, или стабилитрон, или комбинированно. Резистор 5 с транзистором n-p-n проводимостью в некоторых случаях может не устанавливаться, который в основном ограничивает импульсы высокого напряжения при переключениях.
Схема работает следующим образом: с включением источника питания при закрытом состоянии тиристора 8 положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью, а с n-p-n проводимостью откроет. При увеличении напряжения в цепи питающего входа 6, при токе больше удерживающего тиристор 8 откроется и перекинет в отрицательное смещение базу транзисторного ключа 7. Транзисторный ключ 7 с p-n-p проводимостью откроется и включит нагрузку Rн, а с n-p-n проводимостью закроется и отключит нагрузку Rн.
Для эффективной работы схемы подбирают оптимальную пропорцию распределения минимального тока удерживания тиристора 8. Ток тиристора 8 устанавливают подбором сопротивления резистора 4 из расчета около 80...90% от тока удерживания и 10...20% через цепь питающего входа 6 тиристорного переключателя 2, меньше при котором тиристор 8 будет закрываться. Для примера, испытания проводились в цепи источника питания 12 В на симисторе ТС10-6 и на тиристорах КУ101Е, КУ101Г, удерживающий ток у которых составлял 2 мА...5 мА, при этом величина тока порога отключения тиристора 8 была всегда постоянна. Вновь тиристор 8 открывался при повышении напряжения на 0,7...0,9 В на питающем входе 6, который был подключен к тиристорному переключателю 2 через резистор 3 к. При токе удерживания тиристора более 7 мА установку тока удерживания тиристора через вход питающей цепи 6 производят по способу, изложенному в чертеже фиг.2.
Фиг.2 отличается от фиг.1 тем, что цепь базы смещения ключа транзистора 7 подключена к общей точке анода тиристора 8 через введенный диод 11, а катод диода 11 подключен к плюсу через задатчик тока 10. Между общей точкой анода тиристора 8 и диода 9 введен токоограничивающий резистор 12. В этой схеме рассматриваются два способа управления: через задатчик тока 10 и через введенный резистор 12.
Диод 11 запирает от связи задатчик тока 10 с базой ключа транзистора 7 и улучшает динамику коммутации. Задатчик тока 10 является балластным элементом, может содержать построечный и токоограничивающий резистор. Им устанавливают минимальный ток удерживания тиристора 8 по цепи питающего входа 6.
Токоограничивающий резистор 12 может дополняться построечным резистором. Данным способом задают момент включения и отключения тиристора 8 в зависимости от величины напряжения цепи питающего входа 6.
Фиг.3 отличается от фиг.1 тем, что питающий вход 6 подключен к тиристорному переключателю 2 через введенный транзистор 14 и токоограничивающий резистор 13, а к базе подключен управляющий вход. Транзистор 14 может быть любой проводимости, который управляет рабочим током тиристора 8 или переводит тиристор 8 в открытое и закрытое состояние, который переключает транзисторный ключ 7.
К примеру, при подключении к управляющему входу генератора пилообразных импульсов на выходе ключа транзистора 7 будут сигналы прямоугольных импульсов, а на примере чертежа фиг.9 и фиг.10 показана работа простого электронного реле.
Устройство реализации способа, содержащее источник питания, транзисторный ключ n-p-n проводимости, база которого через защитный резистор и плюс источника питания через резистор смещения подключены между анодом тиристора и катодом диода, а управляющий электрод тиристора через резистор, или резистор, последовательно соединенный стабилитрон или диод подключен к аноду диода или к эмиттеру транзистора, через другой резистор подключен к минусу с катодом тиристора, а коллектор ключа транзистора подключен к плюсу источника питания или подключен через нагрузочный резистор, а общая точка эмиттера через промежуточный резистор подключена к аноду диода тиристорного переключателя, а вторая параллельная цепь эмиттера - к выходу генератора, причем эмиттер и точка смещения базы транзистора подключены к минусу через конденсатор, а база транзистора подключена с эмиттером через защитный резистор, а с минусом через защитный конденсатор.
Общая точка промежуточного резистора и конденсатора соединена с эмиттером транзистора через введенный диод.
Параллельно ключу транзистора подключен второй составной транзисторный ключ p-n-p проводимости, эмиттер выходного транзистора подключен с плюсом источника питания, а коллекторы обоих транзисторов подключены к минусу через нагрузку, а вход базы составного транзистора подключен через один резистор к плюсу источника питания, а через второй резистор к точке смещения базы ключа транзистора.
К выходу генератора подключен через токоограничивающий резистор анод диода второго тиристорного переключателя, а между катодом диода и анодом тиристора подключен управляющий электрод симистора, а фаза L через нагрузку и симисторный ключ подключена к общему проводу рабочего нуля N и корпуса.
Параллельно аноду и катоду тиристора подключен блокировочный транзистор любой проводимости, а база подключена к управляющему входу.
Между коллектором транзистора и источником питания плюс или нагрузочным резистором введен светодиод оптопары, а параллельно светодиоду подключен защитный стабилитрон или резистор, а коллектор транзистора оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен через резистор к базе первого транзистора усилительного каскада, причем база которого подключена к минусу через защитный конденсатор, а к эмиттеру через защитный резистор, а коллектор подключен к плюсу источника питания через резистор или подключен к коллектору второго транзистора усилительного каскада, который подключен к плюсу источника питания через нагрузку, а база подключена к эмиттеру первого транзистора и подключена к минусу и эмиттеру через резистор или последовательно соединенный диод.
Устройство генератора (фиг.4) содержит источник питания, транзисторный ключ 7, база которого через резистор 5 и плюс источника питания через резистор 4 подключены между анодом тиристора 8 и катодом диода 9. Управляющий электрод тиристора 8 через резистор 3 подключен к аноду диода 9, а через резистор 1 подключен к минусу с катодом тиристора 8. Коллектор транзистора 7 подключен к плюсу источника питания. Общая точка эмиттера транзистора 7 через диод 19 и промежуточный резистор 18 подключена к диоду 9 тиристорного переключателя 2, а общая точка диода 19 и промежуточного резистора 18 подключена с минусом через конденсатор 20, а к эмиттеру подключен выход генератора. К точке смещения базы транзистора 7 подключен конденсатор 15, а база с минусом подключена через защитный конденсатор 16, а с эмиттером через защитный резистор 17.
Устройство работает следующим образом: с включением источника питания положительное смещение на базе откроет транзисторный ключ 7. Плюс эмиттера через диод 19 и промежуточный резистор 18 запитает тиристорный переключатель 2. Тиристор 8 откроется при токе, большем, чем ток удерживания, и переведет базу транзистора 7 в отрицательное смещение, ключ закроется. Ток через тиристор 8 станет меньше удерживающего, и тиристор 8 закроется. Вновь на базе транзистора 7 окажется положительное смещение, и цикл будет повторяться. Конденсатор 15 растягивает верхний (положительный) фронт открытого состояния транзистора 7, а конденсатор 20 растягивает нижний фронт закрытого состояния транзистора 7, и дополнительно подбором номинала промежуточного резистора 18 изменяют частоту переключений генератора. Промежуточный резистор 18 содержит один постоянный, или один построечный, или построечный дополняется последовательно и параллельно подключенными резисторами. Причем построечный резистор может быть в виде регулятора. Диод 19 запирает обратный разряд конденсатора в цепь выхода генератора. Управляющий электрод тиристора 8 подключают дополнительно с резистором 3 к аноду диода 9 или к эмиттеру транзистора 7 через стабилитрон или диод в случаях для установки порога открытия тиристора или для компенсации разницы падения напряжения перехода на диоде 9. Управляющему входу и питающему входу тиристора 8 при необходимости дополнительно подключают конденсатор для импульсного открытия тиристора.
Фиг.5 - устройство двухтактного генератора, отличающееся от фиг.4 тем, что коллектор ключа транзистора 7 подключен к источнику питания через нагрузочный резистор 24, а промежуточный резистор 18 подключен в виде построечного резистора, а к выходу генератора подключен контрольный светодиод 23 через резистор 22. Параллельно ключу транзистора 7 подключен составной транзисторный ключ на транзисторах 26 и 27 p-n-p проводимости. Вход базы составного транзисторного ключа 26 подключен через резистор 25 к плюсу источника питания, а через резистор 21 - к общей точке смещения базы ключа транзистора 7. Эмиттер выходного транзистора 27 подключен к плюсу, а коллекторы обоих транзисторов 26 и 27 подключены к минусу, через нагрузку - лампу 28.
Нагрузочный резистор 24 позволяет расширять диапазон регулирования сопротивления промежуточного резистора 18, с уменьшением которого улучшается динамика открывания ключа транзистора 7, но при этом ухудшается его закрывание.
Составной транзисторный ключ p-n-p проводимости открывается и закрывается синхронно с тиристором 8, а транзисторный ключ 7 работает асинхронно.
Испытания проводились на лампе накаливания до 80 Вт.
Коммутирование лампы 28 производилось низкой частотой и регулирование накала - большой частотой подбором конденсаторов 15 и 20 и регулятора промежуточного резистора 18. Схема работает при токе удерживания тиристора 8 в пределах 3-15 мА, при этом паспорта транзисторов могут отличаться, в том числе в других схемах.
Выделенные элементы в рамке под цифрой 29 - тиристорный переключатель 2, транзисторный ключ 7 и составной транзисторный ключ 26 и 27 - можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ. Пример реализации в интегральном исполнении.
схемы устройства высоковольтного преобразователяФиг.7 и фиг.8 - схемы устройства высоковольтного преобразователя, отличающиеся тем, что в генераторе параллельно аноду и катоду тиристора 8 подключен транзистор 38 p-n-p проводимости, а к базе подключен управляющий вход 37, которая блокирует и включает генератор, или управляющий вход может работать, как задающий генератор. Причем транзистор 38 может быть любой проводимости.
Генератор схемы фиг.8 отличается от фиг.7 тем, что между нагрузочным резистором 24 и коллектором транзистора 7 введен светодиод 56 оптопары, а параллельно светодиоду 56 подключен стабилитрон 55. Коллектор транзистора 57 оптопары подключен к плюсу, а эмиттер подключен (фиг.7 - выход генератора подключен) через резистор 42 к базе первого транзистора 49 усилительного каскада. Причем база первого транзистора 49 подключена к минусу через защитный конденсатор 44, а к эмиттеру через защитный резистор 45. Коллектор первого транзистора 49 подключен через резистор 48 к плюсу между защитным диодом 47 и резистором 46 или подключается к коллектору второго транзистора 53, который подключен через защитный диод 52, нагрузка 54 (катушка зажигания) - к плюсу источника питания. Эмиттер первого транзистора 49 подключен к базе второго транзистора 53, база которого через резистор 50 и диод 51 подключена вместе с эмиттером к минусу. Плюс источника питания через защитный диод 47 и защитный резистор 46 подключен в схему питания генератора, а к плюсу и минусу генератора подключены параллельно конденсатор 39 и стабилитрон 43.
В качестве нагрузочного элемента и контроля к выходу генератора подключают контрольный светодиод 41 через резистор 40 или только резистор, который особенно необходим при недостаточном токе, через светодиод 56 оптопары для открытия транзисторного ключа 57, а при большом токе параллельно светодиоду 56 оптопары устанавливают шунтирующий резистор. С оптопарой типа РС817 (SHARP) схема может работать без дополнительного нагрузочного элемента.
Сигнал низкого уровня на управляющем входе 37 открывает транзистор 38, генератор при этом отключается. Положительный уровень на входе 37 закрывает транзистор 38, и генератор включится, который запустит выходной каскад усилителя.
Испытания проводились на катушке зажигания автомобиля Б117 автотрансформаторного типа, устойчивая пробойная дуга достигала максимально до 40 мм по схеме фиг.7, а по схеме фиг.8 до 30 мм. Снижение напряжения на выходе катушки производят подбором номиналов конденсатора 44, резистора 45, или дополнительно подключаются параллельно коллектору и эмиттеру выходного транзистора 53 конденсатор и стабилитрон.
Устройство может служить как многоимпульсный преобразователь для бесконтактных устройств зажигания на автомобиле и в сварочном производстве для работы оссилятора, или могут подключаться другие нагрузки, к примеру коммутироваться лампы накаливания или подключаться звуковая сирена и т.д. Причем схема может работать без защитных элементов 43, 46, 47 и 52.
Фиг.9 - устройство электронного реле. База транзистора 14 подключена к времязадающей цепочке, коллектор подключен к плюсу источника питания, а эмиттер подключен к питающему входу цепи тиристора 8 через токоограничивающий резистор 13 и диод 9. Резистор R4 - регулятор выдержки времени.
Устройство работает следующим образом
включаем источник питания, транзисторный ключ 7 закрыт. При кратковременном нажатии кнопки SB1 зарядится конденсатор С1, откроется транзистор 14, который откроет тиристор 8, а тиристор переключит транзисторный ключ 7, катушка реле К1 включится. По мере разряда конденсатора С1 происходит снижение напряжения на нем. Это приводит к снижению напряжения на эмиттере транзистора 14, и при токе, меньше удерживающего, тиристор 8 закроется. Положительное смещение на базе закроет транзисторный ключ 7, и реле К1 отключится. Устройство при данных номиналах элементов и при удерживающем токе тиристора 8 - в пределах 3-5 мА. Время выдержки может доходить до 30 минут, а погрешность при стабильном источнике питания - в пределах 2-3%.
Фиг.10 - устройство электронного реле на симисторе оптопары. Принцип работы аналогичен. Симистор оптопары типа МОС3063 или МОС3082, удерживающий ток у них в пределах 0,4-0,6 мА. По этой причине подключен составной транзисторный ключ (аналогично составному ключу на чертеже фиг.5) с большим входным сопротивлением. Управляющий вход светодиода оптопары подключен через стабилитрон и резистор, параллельно которым подключен вспомогательный конденсатор для импульсного открытия симистора. Стабилитрон служит для отсекания тока через светодиод оптопары при снижении напряжения на эмиттере транзистора 14. Этим добиваются увеличения времени выдержки.
При испытаниях время выдержки составило около 40 минут, а погрешность - в пределах 2%. Показатели значительно выше, чем на тиристоре КУ101.
Предлагается способ определения минимального тока удерживания тиристора любой структуры. Между источником питания плюс и минус подключают тиристорный ключ через токоограничивающий резистор и последовательно соединенный миллиамперметр или другой регистрирующий прибор. Причем параллельно источнику питания подключают электролитический конденсатор большой емкости. К управляющему входу через токоограничивающий резистор или конденсатор кратковременно подают импульс положительного напряжения. Фиксируют ток через тиристор по миллиамперметру, затем отключают источник питания. По мере разряда конденсатора будет снижаться ток через тиристор, и по моменту резкого отклонения стрелки миллиамперметра определяют минимальный ток удерживания.
Использование способа управления транзисторным ключом найдет применение в следующих электрических схемах устройств: электронное реле времени, к примеру коммутация катушек реле; следящих схемах, к примеру аварийные переключатели на блоках питания; генераторных схемах, к примеру высокочастотные сирены в охранных устройствах, высоковольтные преобразователи для катушек зажигания.
Составную часть устройства: тиристорный переключатель и транзисторный ключ - можно назвать тиристорно-транзисторный коммутатор или тиристорно-транзисторный ключ, который может реализоваться как единая интегральная схема. В этом случае понадобится регламентировать паспортные данные на минимальные токи удерживания.
На изобретение выдан патент
Российской Федерации RU2343622
Автор(ы): Алексеев Альберт Герасимович, Алексеев Виталий Альбертович