Симисторные регуляторы мощности своими руками схемы. Симисторные регуляторы мощности: схемы и принцип работы — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как работают симисторные регуляторы мощности. Какие существуют схемы симисторных регуляторов. Как собрать регулятор мощности на симисторе своими руками. Какие преимущества у симисторных регуляторов перед другими типами.

Содержание

Принцип работы симисторных регуляторов мощности

Симисторные регуляторы мощности используются для плавного изменения мощности в нагрузке, работающей от сети переменного тока. Основным элементом таких регуляторов является симистор — полупроводниковый прибор, способный проводить ток в обоих направлениях при подаче управляющего сигнала на затвор.

Принцип работы симисторного регулятора заключается в изменении момента открытия симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль. Чем позже открывается симистор в каждом полупериоде, тем меньшая часть синусоиды напряжения прикладывается к нагрузке, и тем меньше будет мощность.

Основные схемы симисторных регуляторов мощности

Существует несколько базовых схем симисторных регуляторов мощности:

Простейшая схема на RC-цепочке и динисторе
Схема с раздельным формированием управляющих импульсов
Схема на специализированной микросхеме
Схема с оптосимистором

Рассмотрим принцип работы и особенности каждой из этих схем.

Простейшая схема симисторного регулятора мощности

Простейшая схема симисторного регулятора мощности выглядит следующим образом:

[Здесь можно было бы добавить схему простейшего регулятора, если бы была возможность вставлять изображения]

Принцип работы этой схемы:

RC-цепочка создает сдвиг фазы между сетевым напряжением и напряжением на динисторе
При достижении напряжения пробоя динистор открывается
Открытие динистора приводит к подаче управляющего импульса на затвор симистора
Симистор открывается и пропускает ток в нагрузку

Изменяя сопротивление переменного резистора, можно регулировать момент открытия симистора и, соответственно, мощность в нагрузке.

Схема с раздельным формированием управляющих импульсов

Более сложные схемы используют отдельные цепи для формирования управляющих импульсов. Это позволяет добиться лучших характеристик регулирования.

Пример такой схемы:

[Здесь можно было бы добавить схему регулятора с раздельным формированием импульсов]

В этой схеме используется отдельный генератор импульсов на микросхеме, что обеспечивает более стабильную работу регулятора.

Регулятор мощности на специализированной микросхеме

Для упрощения схемотехники регуляторов мощности разработаны специализированные микросхемы. Одним из популярных вариантов является микросхема КР1182ПМ1.

Схема регулятора на этой микросхеме выглядит следующим образом:

[Здесь можно было бы добавить схему регулятора на КР1182ПМ1]

Использование специализированной микросхемы позволяет значительно упростить схему регулятора и повысить его надежность.

Регулятор мощности с оптосимистором

Оптосимистор представляет собой комбинацию светодиода и фотосимистора в одном корпусе. Его использование позволяет обеспечить гальваническую развязку между цепями управления и силовой частью.

Типовая схема регулятора с оптосимистором:

[Здесь можно было бы добавить схему регулятора с оптосимистором]

Такая схема удобна для управления мощностью с помощью микроконтроллеров или других низковольтных устройств.

Преимущества симисторных регуляторов мощности

Симисторные регуляторы мощности имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами регуляторов:

Высокий КПД (до 98-99%)
Отсутствие движущихся частей
Бесшумность работы
Возможность плавной регулировки мощности
Компактные размеры
Низкая стоимость

Эти преимущества делают симисторные регуляторы оптимальным выбором для многих применений.

Применение симисторных регуляторов мощности

Симисторные регуляторы мощности широко применяются в различных областях:

Регулирование яркости освещения
Управление скоростью электродвигателей
Регулирование мощности нагревательных элементов
Управление мощностью трансформаторов
Регулирование мощности в аудиотехнике

Какие области применения симисторных регуляторов наиболее распространены? В первую очередь это системы освещения и управление нагревательными элементами.

Сборка регулятора мощности на симисторе своими руками

Для сборки простейшего регулятора мощности на симисторе своими руками потребуются следующие компоненты:

Симистор (например, BTA16-600B)
Динистор (DB3)
Переменный резистор 470 кОм
Резистор 1 кОм
Конденсатор 0.1 мкФ

Радиатор для симистора

Порядок сборки:

Подготовьте печатную плату или макетную доску
Разместите компоненты согласно выбранной схеме
Припаяйте компоненты, соблюдая полярность
Установите симистор на радиатор
Проверьте правильность монтажа
Подключите регулятор к нагрузке через предохранитель

При сборке регулятора мощности своими руками следует соблюдать меры предосторожности, так как устройство работает с сетевым напряжением.

Меры безопасности при работе с симисторными регуляторами

При работе с симисторными регуляторами мощности необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

Использовать изолированный инструмент
Не прикасаться к токоведущим частям
Использовать предохранители
Обеспечить надежное заземление
Не превышать допустимую мощность нагрузки
Обеспечить хорошее охлаждение симистора

Соблюдение этих мер позволит безопасно использовать симисторные регуляторы мощности.

Схемы регуляторов мощности (диммеров) на симисторах

Принцип работы симисторных регуляторов мощности (напряжения) в цепях
переменного тока.

Что такое симистор, принцип его работы, а также справочные характеристики некоторых популярных приборов мы с Вами внимательно рассмотрели на странице &nbspСсылка на страницу.
Там же мы отметили, что симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью вытеснил его из электроцепей переменного тока.

Вспомним пройденный материал.
Отличительной чертой симистора является то, что при подаче на его управляющий электрод тока (напряжения), прибор переходит в проводящее состояние, замыкая нагрузку, причём проводит ток, независимо от полярности, приложенного к нагрузке напряжения.

Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью «анодного» напряжения (т.

е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой — в момент прохождения отрицательной).

Итак. Важным плюсом симисторных схем в электроцепях переменного тока является отсутствие выпрямительных устройств, и двухполюсность напряжения в нагрузке, что даёт возможность подключать их, помимо всего прочего, как трансформаторам, так и электродвигателям переменного тока.

Познакомимся с расхожими схемами симисторных регуляторов.

Для начала давайте рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности с фазово-импульсным управлением, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 1200 Вт.

Рис.1

При замене симистора на другой, с большей величиной допустимого тока, мощность нагрузки можно увеличивать практически неограниченно.

А теперь — как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора — тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.

При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис. 1 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях и обмотках трансформаторов), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.1 показана синим цветом).

В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

Существуют и различные модификации приведённой выше простейшей схемы диммера.

Рис.2

Дополнительная цепочка R3 C2 (Рис.2 слева) призвана увеличить максимально достижимый фазовый сдвиг между сетевым напряжением и напряжением, поступающим на левый вывод динистора, что в свою очередь позволяет производить более глубокую регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

На схеме, приведённой на Рис.2 справа, цепь, образованная диодами D1, D2 и резистором R1, обеспечивает плавность регулировки при минимальной выходной мощности. Без неё характеристика управления регулятором имеет гистерезис, что проявляется в скачкообразном повышении регулируемой мощности от нуля до 3…5% от максимальной.

Диодно-резисторная цепочка разряжает конденсатор при переходе сетевого напряжения от отрицательной к положительной полуволне и, тем самым, устраняет эффект скачкообразного начального увеличения мощности в нагрузке.

Изредка можно встретить устройства, в которых регулировка мощности производится посредством отдельной схемы, которая формирует импульсы с регулируемой длительностью для управления симистором.
Такие диммеры обладают значительно лучшими характеристиками, чем представленные выше, однако обратной стороной медали является повышенная сложность устройств и необходимость наличия отдельного источника питания схемы. Исключения составляют устройства, выполненные на специализированных ИМС. Примером такой микросхемы является фазовый регулятор КР1182ПМ1.

Рис.3

Применение КР1182ПМ1 в регуляторах мощности (Рис.3) позволяет добиваться как хорошей повторяемости, так и широкого диапазона перестройки и высокой температурной стабильности.

А если уж мы решили заморачиваться созданием отдельной схемы формирования управляющих импульсов, то имеет смысл отказаться от фазово-импульсного метода управления, и обратиться в сторону регуляторов мощности, работающих по принципу пропускания через нагрузку определённого целого числа периодов сетевого напряжения в единицу времени.
При таком способе регулирования появляется возможность включения симистора вблизи точки пересечения сетевым переменным напряжением нулевого потенциала, вследствие чего радикально снижается уровень помех, вносимых в электросеть.
Освещение таким диммером не запитаешь ввиду заметного мерцания, а вот для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов — самое то.

Рис.4

Данная схема (Рис.4) перекочевала со страницы https://www.radiokot.ru/circuit/power/converter/50/ и представляет собой модификацию регулятора мощности, описанного в журнале Радио, 2009, № 9, с. 40–41 «В.Молчанов Симисторный регулятор мощности». Вот, что пишет автор.

«Устройство предназначено для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов, работающих от сети переменного тока 220 В.
Кроме снижения уровня коммутационных помех, в регуляторе реализован принцип пропускания в нагрузку целого числа периодов сетевого напряжения. При таком способе регулирования с высокой точностью обеспечивается отсутствие постоянной составляющей напряжения на нагрузке, вследствие чего дополнительно снижается уровень искажений, вносимых в электросеть. Это особенно важно в случае мощной нагрузки.
Максимальная мощность нагрузки, подключаемой к регулятору, составляет 1 кВт. Потребляемый регулятором ток от сети не превышает 4 мА (действующее значение), типовое потребление – 3,5 мА.

На микросхеме DD1 и элементах R1, C1, VD1, VD2 выполнен синхронизированный с сетью генератор прямоугольных импульсов. Период импульсов, вырабатываемых генератором, составляет около 1,3 с. Резистор R1 регулирует скважность импульсов. Элементы DD1.1, DD1.2 и DD1.3, DD1.4 включены как два RS‑триггера, на входы которых (выводы 1 и 9 микросхемы) через делитель R7R6 поступает часть сетевого напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 выполняют функцию мощного инвертора логических сигналов для управления симистором. Питание устройства осуществляется через параметрический стабилизатор, в котором задействованы балластный резистор R7, стабилитрон VD3 и сглаживающий конденсатор C3. Когда напряжение на верхнем по схеме сетевом выводе относительно нижнего отрицательное, стабилитрон VD3 пропускает ток в прямом направлении, когда положительное – ограничивает напряжение на выводах 1 и 9 микросхемы DD1 на уровне 10 В. Ток, проходящий через эти выводы и внутренние защитные диоды микросхемы, заряжает конденсатор C3 до напряжения около 9,2 В, которое служит для питания низковольтной части устройства. Использование защитных диодов микросхемы не приводит к её защёлкиванию, поскольку амплитудное значение тока через резистор R7 ограничено и составляет около 5 мА.

Во время проверки регулятора мощности удобно в качестве нагрузки подключить лампу накаливания (желательно на 100 Вт или более). Устройство обычно не нуждается в налаживании, но если оказалось, что симистор VS1 открывается ненадёжно (лампа в нагрузке не включается или мерцает), можно попробовать уменьшить сопротивление резистора R4 или подобрать экземпляр симистора с меньшим током открывания. Резистор R4 позволяет выставить мгновенное напряжение сети, при котором происходит открывание симистора. Это напряжение может быть рассчитано по формуле Uпор ≈ Uпит∙R7/(2∙R4), где Uпит ≈ 9,2 В – напряжение на конденсаторе C3, сопротивления резисторов R6 и R7 должны быть равны. Уменьшение сопротивления резистора R4 обеспечивает более надёжное открывание симистора, но увеличивает уровень создаваемых помех, поэтому делать его сопротивление менее 30 кОм нежелательно».

И конечно, было бы совсем неправильно не упомянуть о таком важном представителе симисторного семейства, как — оптосимистор.
Оптосимистор включается посредством освещения полупроводникового слоя и представляет собой комбинацию оптоизлучателя и симистора в одном корпусе. Преимущество — простая однополярная схема управления и гальваническая изоляция цепей управления от фаз сетевого напряжения.

Оптосимисторы могут коммутировать нагрузку как сами (Рис.5),

Рис.5

так и управлять более мощными симисторами (Рис.6).

Рис.6

За счёт полной гальванической развязки управляющих цепей оптосимистора, основное его предназначение — это управление мощностью нагрузки при помощи логических устройств или микроконтроллеров с собственными цепями питания.

Рис.7

В качестве примера на Рис.7 приведена схема регулятора мощности паяльника.
Вот, как работу этой схемы описывает уважаемый Falconist на странице сайта http://forum. cxem.net .

«Оптосимистор серии МОС204х/306х/308х содержит внутри себя схему пересечения питающим напряжением нуля, т.е. открывается только в точке нулевого значения синусоидального сетевого напряжения, независимо от момента поступления управляющего напряжения на его светодиод. Тем самым обеспечивается ключевой режим подключения нагрузки, с практически полным отсутствием ВЧ помех, проникающих в сеть 220 В. Поэтому его замена на оптосимисторы МОС302х/305х, не имеющих такой схемы, крайне нежелательна, т.к. порочит сам принцип беспомехового регулирования.
Конденсатор С1 является балластным реактивным сопротивлением. Ток, который он пропускает совместно с подключенным параллельно ему резистором R1,приближенно составляет 16 мА. Данный ток используется для питания таймера DA1 и инфракрасного светодиода оптрона DA2».

Работа таймера, формирующего управляющий сигнал для оптотиристора, аналогична работе DD1 на Рис.4 и сводится к формированию импульсов с изменяемой скважностью.

Регулятор мощности своими руками | Каталог самоделок

Современная сеть электропитания устроена так, что в ней часто происходят скачки напряжения. Изменения тока допустимо, но оно не должно превышать 10% от принятых 220 вольт. Скачки плохо сказываются на работоспособности различных электроприборов, и очень часто они начинают выходить их строя. Чтобы этого не случилось, мы стали использовать стабильные регуляторы мощности для выравнивания поступающего тока. При наличии определенной фантазии и навыков можно сделать различные виды стабилизационных приборов, и самым эффективным остается стабилизатор симисторный.

На рынке такие приборы или стоят дорого, или зачастую они некачественные. Понятно, что мало кому захочется переплатить и получить неэффективный прибор. Вот в этом случае можно своими руками собрать его с нуля. Так возникла идея создания регулятора мощности на базе диммера. Диммер, слава Богу, у меня имелся, однако он был немного неработоспособным.

Починка симисторного регулятора – Dimmer-а

На данном изображении дана заводская электрическая схема диммера от фирмы Leviton, которая работает от сети с напряжением 120 Вольт. Если осмотр неработающих диммеров показал, что сгорел только симистор, то можно заняться процедурой его замены. Но здесь вас могут подстерегать неожиданности. Дело в том, что встречаются такие диммеры, в которых установлены какие-то странные симисторы с различными номерами. Вполне возможно, что не удастся найти информацию на них даже на даташите. Помимо этого, у таких симисторов, контактная площадка изолирована от электродов симистора (триака). Хотя, как видно, контактная площадка сделана из меди и даже не покрыта пластиком, как у корпусов транзисторов. Такие симисторы весьма удобны в ремонте.

Также обратите внимание на способ спайки симисторов к радиатору, он выполнен с помощью заклёпок, они пустотелые. При применении изолирующих прокладок, использовать такой способ крепления не рекомендуется. Да такое крепление не очень – то и надежное. В общем, ремонт такого симистра займет много времени и вы потратите нервы именно по причине установки данного типа триаков, диммер просто не рассчитан на такие размеры симистора (Triac-а) .

Заклепки пустотелые следует удалить при помощи сверла, который заточен под определенным углом , а конкретнее под углом 90°, можно также для этой работы использовать кусачки–бокорезки.

При неаккуратной работе есть вероятность повреждения радиатора , чтобы этого избежать, правильнее делать это только с той стороны , где расположен триак.

Радиаторы, выполненные из очень мягкого алюминия, при заклёпке немного могут быть деформированы. Поэтому, необходимо ошкурить контактные поверхности с помощью наждачной бумаги.

Если вы используете триак, который не имеет гальванической развязки, которая разделяет электроды и контактную площадку, то надо применить эффективный метод изоляции.

На изображении показано , как это делается. Чтобы случайно не продавить стенки радиатора, в том месте , где идет крепление симистора, необходимо сточить у винта большую часть шляпки, для того, чтобы избежать ее зацепку за поручень потенциометра или стабилизатора мощности, а затем под головку винта надо подложить шайбу.

Так должен выглядеть симистор, после изоляции от радиатора. Для наилучшего теплоотвода, необходимо приобрести специальную пасту термопроводящую КПТ-8.

На рисунке изображено то, что находиться под кожухом радиатора

Теперь все должно работать

Схема заводского регулятора мощности

На основе схемы заводского регулятора мощности можно собрать макет регулятора для напряжения вашей сети.

Здесь дана схема регулятора, который адаптирован к работе в сети со статичным напряжением в 220 Вольт. Эта схема отличается от оригинальной только несколькими деталями, а именно, при ремонте была в несколько раза увеличена мощность резистора R1, в 2 уменьшены номиналы R4 и R5, а динистор 60-ти. в вольтовый заменили на два , которые включёны последовательно, 30-ти Вольтовыми динисторами VD1, VD2. Как видно, своими руками можно не только отремонтировать неисправные диммера, но и легко подстроить под свои потребности .

Это исправный макет регулятора мощности. Теперь вы точно знаете, какая схема у вас получится при правильном ремонте. Данная схема не требует подбора дополнительных деталей и сразу готова к работе.. Возможно, надо будет отрегулировать положения движка подстрочного резистора R4. Для этих целей движки потенциометров R4 и R5 устанавливаются в крайнее верхнее положение, а потом меняют положение движка R4, после чего лампа загорится с самой малой яркостью, а потом следует слегка подвинуть движок в противоположном направлении. На этом процесс настройки закончен! Но стоит отметить, что данный регулятор мощности работают только с нагревательными приборами и лампами накаливания, а с двигателями или мощными аппаратами результаты могут быть не непредсказуемы. Для начинающих мастеров- любителей с малым опытом такие работы самое то.

Etxt.

Симисторы — рабочие и прикладные схемы

Симистор можно сравнить с фиксирующим реле. Он мгновенно включится и закроется, как только сработает, и останется закрытым до тех пор, пока напряжение питания остается выше нуля вольт или полярность питания не изменена.

Если источником питания является переменный ток, симистор будет размыкаться в периоды, когда цикл переменного тока пересекает нулевую линию, но закрывается и включается, как только его повторное срабатывание.

Преимущества симистора в качестве статического переключателя

Симисторы можно эффективно заменить механическими переключателями или реле для управления нагрузками в цепях переменного тока.
Триаки могут быть сконфигурированы для коммутации относительно более тяжелых нагрузок за счет срабатывания по минимальному току.
Когда симисторы проводят (замыкают), они не создают эффекта подавления дребезга, как в механических переключателях.
Когда симисторы выключаются (при пересечении нуля переменным током), это происходит без каких-либо переходных процессов из-за противо-ЭДС и т. д. наблюдается в механических электрических переключателях.
Триаки имеют гибкое срабатывание, которое позволяет переключать их в любой заданной точке цикла входного переменного тока с помощью положительного сигнала низкого напряжения на затворе и общей земле.
Это напряжение срабатывания может быть от любого источника постоянного тока, такого как батарея или выпрямленный сигнал от самого источника переменного тока. В любом случае симистор будет проходить через периоды выключения каждый раз, когда кривая переменного тока в каждом полупериоде проходит через линию пересечения нуля (тока), как показано ниже:

Как включить симистор

Симистор состоит из трех выводов: Затвор, A1, A2, как показано ниже:

Чтобы включить симистор, на его контакт затвора (G) должен быть подан ток триггера затвора. . Это вызывает протекание тока затвора через затвор и клемму A1. Ток затвора может быть положительным или отрицательным по отношению к выводу A1 симистора. Клемма A1 может быть подключена к отрицательной линии VSS или положительной линии VDD источника питания управления затвором.

На следующей диаграмме показана упрощенная схема симистора, а также его внутренняя кремниевая структура.

Когда на затвор симистора подается ток запуска, он включается с помощью встроенных диодов, встроенных встречно-параллельно между клеммой G и клеммой A1. Эти 2 диода устанавливаются на переходах P1-N1 и P1-N2 симистора.

Квадранты запуска симистора

Запуск симистора осуществляется через четыре квадранта в зависимости от полярности тока затвора, как показано ниже:

Эти квадранты запуска могут практически применяться в зависимости от семейства и класса симистора, как приведено ниже:

Q2 и Q3 являются рекомендуемыми квадрантами запуска для симисторов, поскольку они обеспечивают минимальное потребление и надежное срабатывание.

Квадрант запуска Q4 не рекомендуется, поскольку он требует более высокого тока затвора.

Важные параметры запуска для симисторов

Мы знаем, что симистор можно использовать для переключения мощной нагрузки переменного тока на клеммы A1/A2 через относительно небольшой источник питания триггера постоянного тока на клемме Gate.

При проектировании схемы управления симистором решающее значение приобретают параметры срабатывания затвора. Параметры запуска: ток запуска затвора симистора IGT, напряжение запуска затвора VGT и ток блокировки затвора IL.

Минимальный ток затвора, необходимый для включения симистора, называется током срабатывания затвора IGT. Это должно быть применено к затвору и выводу A1 симистора, который является общим для источника питания триггера затвора.
Ток затвора должен быть выше номинального значения для самой низкой указанной рабочей температуры. Это обеспечивает оптимальное срабатывание симистора при любых обстоятельствах. В идеале значение IGT должно быть в 2 раза выше, чем номинальное значение в таблице данных.
Триггерное напряжение, подаваемое на затвор и клемму A1 симистора, называется VGT. Он применяется через резистор, который будет обсуждаться в ближайшее время.
Ток затвора, который эффективно запирает симистор, является током запирания и выражается как LT. Защелка может произойти, когда ток нагрузки достигает значения LT, и только после этого защелка включается даже при снятии тока затвора.
Вышеуказанные параметры указаны для температуры окружающей среды 25 °C и могут изменяться при изменении этой температуры.

Неизолированное срабатывание симистора может быть выполнено в двух основных режимах, первый способ показан ниже:

Здесь положительное напряжение, равное VDD, подается на затвор и клемму A1 симистора. В этой конфигурации мы видим, что A1 также подключен к Vss или отрицательной линии источника питания затвора. Это важно, иначе симистор никогда не среагирует.

Второй метод заключается в подаче отрицательного напряжения на затвор симистора, как показано ниже:

Этот метод идентичен предыдущему, за исключением полярности. Поскольку затвор запускается отрицательным напряжением, клемма A1 теперь соединена с линией VDD вместо Vss напряжения истока затвора. Опять же, если этого не сделать, симистор не будет реагировать.

Расчет резистора затвора

Резистор затвора устанавливает IGT или ток затвора на симистор для необходимого срабатывания. Этот ток увеличивается, когда температура падает ниже указанной температуры перехода 25 °C.

Например, если указанный IGT равен 10 мА при 25 °C, он может увеличиться до 15 мА при 0 °C.

Чтобы гарантировать, что резистор способен обеспечить достаточную IGT даже при 0 °C, он должен рассчитываться для максимального доступного VDD от источника.

Рекомендуемое значение составляет от 160 до 180 Ом 1/4 Вт для 5-вольтового затвора VGT. Более высокие значения также будут работать, если температура окружающей среды довольно постоянна.

Запуск через внешний DC или существующий AC : Как показано на следующем рисунке, симистор можно переключать либо через внешний источник постоянного тока, такой как батарея или солнечная панель, либо через адаптер переменного/постоянного тока. В качестве альтернативы, он также может запускаться от самого существующего источника переменного тока.

Здесь переключатель S1 имеет пренебрежимо малую нагрузку, так как он переключает симистор через резистор, обеспечивающий минимальный ток, проходящий через S1, тем самым защищая его от износа.

Переключение симистора с помощью герконового реле : Для переключения симистора с помощью движущегося объекта может быть включено магнитное срабатывание. Для таких применений можно использовать геркон и магнит, как показано ниже:

В этом приложении магнит прикреплен к движущемуся объекту. Всякий раз, когда подвижная система проходит мимо герконового реле, она запускает симистор в проводимость через прикрепленный к нему магнит.

Герконовое реле может также использоваться, когда требуется электрическая изоляция между источником запуска и симистором, как показано ниже.

Здесь медная катушка подходящего размера намотана на герконовое реле, а выводы катушки подключены к постоянному току через переключатель. Каждое нажатие переключателя вызывает изолированное срабатывание симистора.

Благодаря тому, что герконовые реле рассчитаны на миллионы операций ВКЛ/ВЫКЛ, эта система переключения становится чрезвычайно эффективной и надежной в долгосрочной перспективе.

Другой пример изолированного срабатывания симистора можно увидеть ниже, здесь внешний источник переменного тока используется для переключения симистора через разделительный трансформатор.

Еще одна форма изолированного срабатывания симисторов показана ниже с использованием соединителей фотоэлементов. В этом методе светодиод и фотоэлемент или фотодиод монтируются как единое целое в одном корпусе. Эти оптопары легко доступны на рынке.

Необычное переключение симистора по схеме выключено/половина мощности/полная мощность показано на схеме ниже. Для реализации на 50% меньшей мощности диод включен последовательно с затвором симистора. Этот метод заставляет симистор включаться только для чередующихся положительных полупериодов входного переменного тока.

Схема может эффективно применяться для управления нагрузками нагревателя или другими резистивными нагрузками, имеющими тепловую инерцию. Это может не сработать для управления освещением, поскольку полуположительная частота циклов переменного тока приведет к раздражающему мерцанию света; аналогично, это срабатывание не рекомендуется для индуктивных нагрузок, таких как двигатели или трансформаторы.

Цепь симистора фиксации сброса

Следующая концепция показывает, как симистор можно использовать для создания защелки сброса установки с помощью пары кнопок.

Нажатие кнопки установки запирает симистор и нагрузку, а нажатие кнопки сброса запирает защелку.

Цепи таймера задержки симистора

Симистор можно настроить как цепь таймера задержки для включения или выключения нагрузки после заданной задержки.

В первом примере ниже показана схема таймера выключения с задержкой на основе симистора. Первоначально при включении симистор включается.

Тем временем начинается зарядка 100 мкФ, и как только достигается пороговое значение, срабатывает UJT 2N2646, включая SCR C106.

SCR замыкает затвор на землю, отключая симистор. Задержка определяется настройкой 1M и значением последовательного конденсатора.

Следующая схема представляет собой схему симисторного таймера с задержкой включения. При включении симистор реагирует не сразу. Диак остается выключенным, пока конденсатор емкостью 100 мкФ заряжается до порога срабатывания.

Как только это происходит, срабатывает диак и включает симистор. Время задержки зависит от значений 1M и 100uF.

Следующая схема представляет собой еще одну версию таймера на основе симистора. При включении UJT переключается через конденсатор 100 мкФ. UJT удерживает переключатель SCR в выключенном состоянии, лишая триак от тока затвора, и, таким образом, симистор также остается выключенным.

Через некоторое время, в зависимости от настройки предустановки 1M, конденсатор полностью заряжается, отключая UJT. Теперь SCR включается, запуская симистор, а также нагрузку.

Схема мигания симисторной лампы

Эта схема симисторного мигающего устройства может использоваться для мигания стандартной лампы накаливания с частотой, которую можно регулировать в диапазоне от 2 до 10 Гц.

Схема работает за счет выпрямления сетевого напряжения диодом 1N4004 вместе с переменной RC-цепочкой.

В тот момент, когда электролитический конденсатор заряжается до напряжения пробоя диака, он принудительно разряжается через диак, что, в свою очередь, запускает симистор, что приводит к миганию подключенной лампы.

После задержки, установленной регулятором 100k, конденсатор перезаряжается снова, вызывая повторение цикла мигания. Регулятор 1 кОм устанавливает ток срабатывания симистора.

Дополнительная информация о симисторах

Прежде чем перейти к симисторам, уместно вспомнить некоторые принципы, касающиеся тиристора, который представляет собой полупроводник, состоящий из четырех слоев кремния, легированных попеременно положительно и отрицательно (PNPN).

Для простоты представьте себе пару транзисторов, PNP и NPN, сконфигурированных так, как показано на следующем рисунке.

Пока ток между G (затвор) и K (катод) не протекает, тиристор заблокирован.

Устанавливая ток между затвором и катодом, транзистор T2 насыщается, обеспечивая «протекание» тока между эмиттером и базой транзистора T1.

Последний в свою очередь насыщается. Таким образом, T2 продолжает оставаться насыщенным, даже если на затвор не подается положительный потенциал. Действительно, транзистор T1 берет на себя управление, поддерживая «поток» между базой и эмиттером T2.

В итоге имеется самоподдерживающаяся проводимость тиристора. Такая ситуация сохраняется до тех пор, пока не будет прервана циркуляция тока АК.

На следующем рисунке показана работа тиристора. При нажатии на кнопку «вкл» лампочка загорается, при нажатии на кнопку «выкл» лампа гаснет.

Состав симистора

Тем не менее, для упрощения предположим, что симистор эквивалентен двум тиристорам, соединенным встречно-встречно.

Следовательно, в отличие от тиристора, который является однонаправленным компонентом, симистор является двунаправленным. Затем становится очевидным его использование в приложениях, связанных с переменным током.

На следующем рисунке очень схематично показана внутренняя структура симистора.

Обратите внимание, что он также имеет три электрода — два основных электрода, обозначенных как A1 и A2, — и управляющий электрод, также называемый «воротом».
На этом же рисунке определите два тиристора, составляющих симистор:

N4/P1/N1/P2 —

P1/N1/P2/N2.

Управление запуском симистора

Теоретически симистор включается между A1 и A2, когда потенциал между этими двумя электродами становится выше заданного значения.

Приложение потенциала к затвору приводит к очень значительному снижению этого напряжения пробоя.

Это верно независимо от полярности.

Теоретически получается четыре режима подачи потенциала затвора относительно, например, анода А1.

Для UA2 > UA1:

UG > UA1 (режим № 1)
UG < UA1 (режим № 2)

Для UA2 < UA1:

UG > UA1 (режим № 4)

После срабатывания симистора его проводимость становится самоподдерживающейся. Он останавливается, когда напряжение между A1 и A2 становится ниже его значения удержания, которое является относительно низким значением.

На практике, особенно при переменном токе частотой 50 Гц, это происходит очень часто: сто раз в секунду. Но если на триггере сохраняется управляющий потенциал, то симистор продолжает проводить.

Режим запуска № 4 не рекомендуется, так как он требует более высокого тока запуска. В других случаях ток запуска ниже, обычно не более нескольких десятков миллиампер.

На рисунке ниже показаны два распространенных примера управления симистором через транзистор.

Заключение

Симистор — один из самых универсальных компонентов электронного семейства. Симисторы можно использовать для реализации множества полезных схемных концепций. В приведенном выше посте мы узнали о нескольких простых применениях схемы симистора, однако существует бесчисленное множество способов настройки и применения симистора для создания желаемой схемы.

На этом веб-сайте я уже размещал множество схем на основе симистора, к которым вы можете обратиться для дальнейшего изучения, вот ссылка на него:

Принципы и схемы симистора — Часть 1

» Перейти к Дополнительно

Симистор представляет собой управляемый твердотельный переключатель питания переменного тока с полуфиксацией средней и большой мощности. В этой статье, состоящей из двух частей, объясняется его основная работа и показаны различные способы его использования. Большинство практических схем показывают два набора значений компонентов для использования с обычными бытовыми/коммерческими источниками переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц с номинальным значением либо 240 В (как используется в большинстве стран Европы), либо (в скобках) 120 В (как используется в большинстве стран Европы). США). В каждой конструкции пользователь должен использовать симистор с номиналами, соответствующими его или ее конкретному приложению.

Триак основы

РИСУНОК 1. Символы симистора.

РИСУНОК 2. Простой выключатель питания переменного тока с резистивной (ламповой) нагрузкой.

Симистор представляет собой твердотельный тиристор с тремя выводами (MT1, затвор и MT2), который использует альтернативные обозначения на рис. Терминал. Он может проводить ток в любом направлении между своими клеммами MT1 и MT2 и, таким образом, может использоваться для прямого управления питанием переменного тока. Он может запускаться как положительным, так и отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2, и, таким образом, он имеет четыре возможных режима запуска или «квадранта», обозначенных следующим образом:

I+   Mode = ток MT2 +ve, ток затвора +ve
I-      Mode = ток MT2 +ve, ток затвора -ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, ток затвора +ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, gate current -ve

Чувствительность триггерного тока наибольшая, когда MT2 и вентильный токи имеют одинаковую полярность (либо оба положительные, либо оба отрицательные), и обычно вдвое меньше, когда они имеют противоположную полярность.

На рис. 2 показан симистор, используемый в качестве простого переключателя питания переменного тока, управляющий резистивной ламповой нагрузкой; Предположим, что SW2 закрыт. Когда SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор запирается через R1 и самоблокируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку. Симистор автоматически разблокируется в конце каждого полупериода переменного тока, когда мгновенное напряжение питания (и, следовательно, ток нагрузки) кратковременно падает до нуля.

В Рис. 2 задача резистора R1 заключается в ограничении пикового мгновенного тока затвора симистора при включении до безопасного значения; его сопротивление (вместе с сопротивлением нагрузки) должно быть больше, чем пиковое напряжение питания (примерно 350 В в цепи 240 В переменного тока, 175 В в цепи 120 В), деленное на номинальный пиковый ток затвора симистора (который обычно указывается в документации производителя симистора). расширенные технические данные).

Обратите внимание на рис. 2 (и в большинстве других симисторных цепей, показанных в этой мини-серии), что — из соображений безопасности — нагрузка подключается последовательно с нейтральной линией (N) источника переменного тока, а главное вкл./выкл. переключатель SW2 может изолировать всю цепь от действующей (L) линии.

Эффект скорости симистора

РИСУНОК 3. Простой выключатель питания переменного тока с индуктивной нагрузкой и демпфирующей цепью C1-R2 для подавления эффекта скорости.

Большинство симисторов, как и SCR, подвержены проблемам «скорость-эффект». Между основными выводами и затвором симистора неизбежно существуют внутренние емкости, и если на одном из основных выводов появляется резко возрастающее напряжение, оно может — если его скорость нарастания превышает номинальную dV/dt симистора — вызвать достаточный прорыв к гейт, чтобы включить симистор. Это нежелательное включение «эффекта скорости» может быть вызвано переходными процессами в линии питания; однако проблема особенно серьезна при управлении индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, в которых токи и напряжения нагрузки не совпадают по фазе, что приводит к внезапному появлению большого напряжения на основных клеммах каждый раз, когда симистор размыкается, когда ток на его основной клемме падает. почти до нуля в каждом рабочем полупериоде.

Проблемы, связанные с эффектом скорости, обычно можно решить, подключив R-C «снабберную» сеть между MT1 и MT2, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения до безопасного значения, как показано (например) в схеме переключателя питания симистора в Рисунок 3 , где R2-C1 образуют демпферную сеть. Некоторые современные симисторы имеют повышенные характеристики dV/dt (обычно 750 В/мс) и практически не подвержены влиянию скорости; эти симисторы известны как «бесшумные» типы.

Подавление радиопомех

РИСУНОК 4. Базовый диммер лампы переменного тока с подавлением радиопомех через C1-L1.

Симистор можно использовать для управления переменной мощностью переменного тока с помощью метода «переключения с фазовой задержкой», при котором симистор срабатывает частично в течение каждого полупериода. При каждом включении симистора ток его нагрузки резко (за несколько микросекунд) переключается от нуля до значения, заданного его сопротивлением нагрузки и мгновенными значениями напряжения питания. В схемах с резистивной нагрузкой, таких как диммеры ламп, это действие переключения неизбежно генерирует импульс ВЧ-помех, который наименьший, когда симистор срабатывает вблизи точек пересечения нуля 0° и 180° осциллограммы линии питания (при которой переключатель токи включения минимальны), а максимальны при срабатывании устройства 90° после начала каждого полупериода (когда токи включения максимальны).

Импульсы РЧ-помех возникают с частотой, вдвое превышающей частоту сети, и могут быть очень раздражающими. В диммерах ламп РЧ-помехи обычно можно устранить, установив на диммер простую сеть LC-фильтров, как показано на рис. 4 . Фильтр устанавливается рядом с симистором и значительно снижает скорость нарастания токов в сети переменного тока.

РИСУНОК 5. Символ диака.

Диаки и квадраки

Диак — двухполюсное двунаправленное триггерное устройство; он может использоваться с напряжениями любой полярности и обычно используется в сочетании с симистором; На рис. 5 показан символ схемы. Основное действие диака таково, что при подключении к источнику напряжения через токоограничивающий нагрузочный резистор он действует как высокоимпедансный резистор до тех пор, пока приложенное напряжение не поднимется примерно до 35 В, после чего он срабатывает и действует как низкоимпедансный 30-вольтовый резистор. стабилитрон, и 30 В вырабатывается на диаке, а остальные 5 В появляются на нагрузочном резисторе. Диак остается в этом состоянии до тех пор, пока его прямой ток не упадет ниже минимального удерживающего значения (это происходит, когда напряжение питания падает ниже значения «стабилитрона» 30 В), после чего диак снова отключается.


РИСУНОК 6. Базовая схема диммера лампы с регулируемой фазовой задержкой.	Рисунок 7 . Символ квадрака.

Диак чаще всего используется в качестве пускового устройства в приложениях управления мощностью с фазным триаком, как в базовой схеме регулятора яркости лампы Рисунок 6 . Здесь в каждом полупериоде линии электропередачи сеть R1-RV1-C1 применяет вариант полупериода с переменной задержкой по фазе к затвору симистора через диак, и когда напряжение C1 возрастает до 35 В, диак срабатывает и подает триггерный импульс 5В (от С1) на затвор симистора, тем самым включая симистор и одновременно подавая питание на ламповую нагрузку и отключая привод от RC-цепи. Таким образом, средняя мощность нагрузки (интегрированная за полный период полупериода) полностью изменяется от почти нуля до максимума через RV1.

На заре разработки симистора некоторые специализированные устройства производились со встроенным диодом последовательно с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали символ схемы на рисунке 7 . Quadrac не имели коммерческого успеха и сейчас устарели.

Варианты переключателя питания переменного тока

Самый простой тип переключателя питания симистора — это переключатель Рис. 2 , в котором симистор включается через R1, когда SW1 замкнут; Только 1 В или около того генерируется на симисторе, когда он включен, поэтому R1 и SW1 потребляют очень небольшую среднюю мощность; На рис. 3 показана та же цепь, оснащенная «снабберной» сетью. Есть много полезных вариантов этих основных схем. На рис. 8 , например, показана версия, которая может запускаться от источника постоянного тока переменного тока. C1 заряжается (через R1-D1) до +10 В в каждом положительном полупериоде линии питания переменного тока, и этот заряд запускает симистор, когда SW1 замкнут. Обратите внимание, что R1 постоянно подвергается почти полному напряжению сети переменного тока и, следовательно, требует довольно высокой номинальной мощности, и что все части этой схемы находятся под напряжением, что затрудняет взаимодействие с внешней схемой управления.


РИСУНОК 8. Переключатель питания переменного тока с запуском по постоянному току переменного тока.	РИСУНОК 9. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом (с оптической развязкой), срабатывающий от постоянного тока.

На рис. 9 показана вышеприведенная схема, модифицированная для обеспечения «изолированного» взаимодействия с внешней схемой управления. SW1 просто заменяется транзистором Q2, который управляется со стороны фототранзистора оптрона. Светодиод соединителя питается от внешнего источника постоянного тока через R1, а симистор включается только при замыкании SW1; При желании SW1 можно заменить электронной коммутационной схемой.


РИСУНОК 10. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом, срабатывающий от переменного тока.	РИСУНОК 11. Переключатель питания переменного тока с запуском по постоянному току с помощью транзистора.

На рис. 10 показан вариант, в котором симистор запускается по переменному току в каждом полупериоде через импеданс переменного тока C1-R1 и через встречно-параллельные стабилитроны ZD1-ZD2, а C1 рассеивает около нуля власть. Мостовой выпрямитель D1-D4 подключен к сети ZD1-ZD2-R2 и нагружен Q2. Когда Q2 выключен, мост фактически открыт, и симистор открывается в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, между ZD1-ZD2-R2 возникает почти короткое замыкание, и симистор отключается. Q2 управляется через оптопару от изолированной внешней цепи, а симистор включен, когда SW1 разомкнут, и выключен, когда SW1 замкнут.

РИСУНОК 12. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом и срабатыванием по постоянному току.

На рисунках 11 и 12 показаны варианты, в которых симистор запускается с помощью трансформаторного источника питания постоянного тока и транзисторного ключа. В Рисунок 11 , Q2 и симистор оба включены, когда SW1 замкнут, и выключены, когда SW1 разомкнут. На практике SW1 можно заменить электронной схемой, позволяющей активировать симистор с помощью тепла, света, звука, времени и т. д. Обратите внимание, однако, что вся эта схема находится под напряжением. На рис. 12 показана схема, модифицированная для работы с оптопарой, позволяющая активировать ее через полностью изолированную внешнюю схему.

Запуск UJT

Другой способ получить полностью изолированное симисторное переключение — использовать схемы UJT в , рис. В этих схемах пусковое действие осуществляется через UJT-генератор Q2, который работает на частоте несколько кГц и подает выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор T1, что обеспечивает желаемую «развязку». Из-за довольно высокой частоты колебаний UJT запускает симистор в течение нескольких градусов после начала каждого полупериода сети переменного тока, когда генератор активен.


РИСУНОК 13. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом (с трансформаторной связью).	РИСУНОК 14. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом.

В Рис. 13 Q3 включен последовательно с основным времязадающим резистором UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при замыкании SW1. В Рис. 14 Q3 подключен параллельно основному времязадающему конденсатору UJT, поэтому UJT и симистор включаются только тогда, когда SW1 разомкнут.

РИСУНОК 15. Типичная схема симистора с оптронной развязкой и рабочие характеристики.

Рис. 16. Управление маломощными лампами через симистор с оптронной развязкой.

Симисторы с оптической развязкой

Затворы «голого» симистора по своей природе светочувствительны, поэтому симистор с оптической развязкой может быть изготовлен путем монтажа «голого» симистора и светодиода близко друг к другу в одном корпусе. На рис. 15 показана схема и перечислены характеристики типичной шестиконтактной DIL-версии такого устройства, в которой светодиод имеет максимальный номинальный ток 50 мА, симистор имеет максимальные номинальные значения 400 В и 100 мА среднеквадратичного значения (и номинальный ток 1,2 А для 10 мс), а весь пакет имеет номинальное напряжение изоляции 1,5 кВ и типичную чувствительность срабатывания по входному току 5 мА.

Триаки с оптопарой просты в использовании и обеспечивают превосходную электрическую изоляцию между входом и выходом. Вход используется как обычный светодиод, а выход как маломощный симистор. На рис. 16 показано устройство, используемое для включения лампы накаливания с питанием от сети переменного тока, которая должна иметь среднеквадратичное значение ниже 100 мА и номинальный пиковый пусковой ток ниже 1,2 А.


РИСУНОК 17. Управление большой мощностью через ведомый симистор.	РИСУНОК 18. Приведение в действие индуктивной нагрузки.

На рис. 17 показан симистор с оптической развязкой, используемый для активации подчиненного симистора, тем самым приводя в действие нагрузку любой требуемой номинальной мощности. Эта схема подходит для использования только с неиндуктивными нагрузками, такими как лампы и нагревательные элементы. Его можно модифицировать для использования с индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, используя соединения, указанные в 9.0079 Рисунок 18 . Здесь цепь R2-C1-R3 обеспечивает определенный фазовый сдвиг в цепи затвора-привода симистора, чтобы обеспечить правильное срабатывание симистора, а R4-C2 образуют демпферную сеть для подавления эффектов скорости.

Синхронный силовой выключатель с «нулевым напряжением»

Синхронный силовой выключатель с «нулевым напряжением» (или «интегральный цикл») — это переключатель, в котором симистор постоянно включается сразу после начала каждого полупериода питания (т. е. около точки нулевого напряжения сигнала), а затем снова автоматически выключается в конце, таким образом генерируя минимальные радиопомехи. В большинстве схем переключения мощности, показанных до сих пор в этой статье, симистор включается в произвольной точке своего начального полупериода включения, тем самым создавая потенциально высокий начальный всплеск радиопомех, но затем дает синхронное действие переключения при нулевом напряжении. на все последующие полупериоды.

Истинно синхронная схема с нулевым напряжением использует систему переключения Рисунок 19 , в которой симистор может быть включен только вблизи начальной точки или точки «нулевого напряжения» каждого полупериода, и, таким образом, создает минимальные радиопомехи. Эта система широко используется для включения/выключения сильноточных нагрузок, таких как электрические нагреватели и т. д.


РИСУНОК 19. Система синхронного переключения питания переменного тока с нулевым напряжением.	РИСУНОК 20. Синхронный выключатель питания переменного тока.

На рис. 20 показан практичный синхронный выключатель питания переменного тока с нулевым напряжением; 10 В постоянного тока получают от переменного тока через R7-D1-ZD1 и C2 и переключают на затвор симистора через Q2, который управляется через SW1 и детектор «нулевого напряжения» Q3-Q4-Q5 и может подавать ток затвора только тогда, когда SW1 закрыт, а Q3 выключен.

РИСУНОК. 21 Альтернативный вариант синхронного выключателя переменного тока.

В детекторе нулевого напряжения транзисторы Q4 или Q5 включаются всякий раз, когда напряжение в сети переменного тока превышает или ниже нуля более чем на несколько вольт (задается параметром RV1), тем самым активируя транзистор Q3 через резистор R5 и блокируя транзистор Q2.