Симисторный и тиристорный стабилизатор напряжения: отличия и принцип работы
Тиристорные и симисторные стабилизаторы напряжения относятся к семейству электронных стабилизаторов. Стабилизацию напряжения реализуют ключи, собранные на полупроводниковых приборах, – тиристорах или симисторах. Назначение этих аппаратов – нормализация параметров входного тока, что позволяет защитить дорогостоящее оборудование, технику и инструмент от повреждений из-за некачественного сетевого напряжения.
Устройство и принцип работы тиристорных и симисторных стабилизаторов напряжения
В конструкцию стабилизирующих аппаратов на полупроводниковых ключах входят:
Принцип работы трансформатора на полупроводниковых ключах:
В чем разница между тиристорами и симисторами
Общей характеристикой тиристоров и симисторов является тот факт, что ими управляют подачей на управляющий электрод положительного потенциала. Различия заключаются в конструкции полупроводников.
Тиристор – однонаправленный преобразователь, в структуре которого имеются анод, катод, управляющий электрод. Симистор – полупроводниковый прибор, состоящий из двух параллельно соединенных тиристоров. Благодаря такой конструкции симисторный переключатель обладает двунаправленным действием – он может проводить ток в двух направлениях.
Преимущества и недостатки стабилизаторов тиристорного типа
Преимущества тиристорных стабилизаторов:
Минусы стабилизаторов на тиристорных ключах, ограничивающих их применение:
Ступенчатая стабилизация и ее недостаточная точность ограничивают использование аппаратов для питания потребителей с особой чувствительностью к качеству электропитания.
Плюсы и минусы симисторных стабилизаторов
Для симисторных аппаратов характерны следующие преимущества:
К минусам относят ступенчатую стабилизацию, форму напряжения, отличную от синусоидальной, большие габариты, меньшую стойкость к перегрузкам по току, более высокую степень нагрева по сравнению с тиристорными аналогами. Симисторные аппараты отличаются низкой стойкостью при индуктивных нагрузках.
Какой стабилизатор лучше выбрать – тиристорный/симисторный или электронно-релейный
Еще один тип электронных стабилизаторов – электронно-релейный. К таким аппаратам относятся модели серии «Каскад». При их создании использовались технологии, устраняющие недостатки тиристорных и симисторных аппаратов. Обмотки трансформатора в этих моделях переключают электронные ключи, состоящие из транзистора и реле. Они устойчивы к сетевым помехам и не провоцируют их появление.
Преимущества электронно-релейных стабилизирующих аппаратов по сравнению с тиристорными/симисторными:
Стабилизаторы электронно-релейного типа относятся к наиболее надежным, поскольку они эффективно защищают промышленное оборудование, технику, инструменты от аварий в электросети, помех, грозовых разрядов, коротких замыканий. При включении электронно-релейные аппараты серии «Каскад» анализируют параметры сети и тестируют защитные системы.
Тиристорные и симисторные стабилизаторы напряжения — в чем отличие?
Опубликовано Артём в 11.01.2020 11.01.2020
Симисторные стабилизаторы напряжения — это прямые родственники тиристорных моделей, но имеют определенные отличия, о них и поговорим на СтабЭксперт.ру.
Тиристорный стабилизатор напряжения
Характеризуется отличным быстродействием и высоким КПД, выдерживает большие токи и имеет достаточный запас по кратковременным перегрузкам. Наработка на отказ собственно самих тиристоров значительно превышает срок службы всего стабилизатора напряжения в целом.
Благодаря микропроцессорному управления и отработанным алгоритмам, тиристорный стабилизатор напряжения совершенно не искажает выходное напряжение, т.к. все переключения происходят только при прохождении синусоиды через «ноль». Он отличается низким уровнем собственного энергопотребления вследствие того, что нет никаких дополнительных внутренних потребителей в виде обмоток реле или серводвигателя.
Поэтому тиристорные стабилизаторы напряжения являются самым совершенным классом устройств стабилизации практически без каких либо недостатков и повсеместно применяются и в быту и на производстве. Дополнительным плюсом является их устойчивая работоспособность при низких температурах (-25…-40°С), что позволяет устанавливать их в неотапливаемых помещениях.
Главные отличия и потребительские качества
Симисторы и тиристоры – полупроводниковые приборы, характеристики которых определяются наличием в пластине полупроводника слоёв с различными показателями проводимости. Принципиальное различие между этими двумя видами электронных ключей состоит в том, что тиристоры пропускают ток в одном направлении, а симисторы делают это в обе стороны.
Таким образом, 1 симистор заменяет тиристорную пару с подключением элементов по встречно-параллельному принципу. Это значит, что схема симисторного стабилизатора напряжения в плане проектирования менее затратная.
Кроме того, этот тип электронных ключей обеспечивает наиболее высокие показатели быстродействия системы нормализации сетевых параметров тока. А это имеет ключевое значение при защите от аномалий входного и выходного тока мощных и высокочувствительных потребителей.
Равно как и симисторное оборудование, тиристорный стабилизатор напряжения работает под управлением микропроцессора. Последний обеспечивает высокую точность и скорость сравнения и обработки входных и выходных параметров тока. При этом все переподключения электронных ключей осуществляются только при условии прохождения синусоиды входного напряжения через нулевую отметку, что полностью исключает искажения сетевых параметров на выходе.
Если сравнивать тиристорный и симисторный стабилизатор напряжения, ключи последнего имеют существенный минус. Заключается он в малой устойчивости к резким всплескам или проседаниям входного тока, к примеру, прииндуктивном характере нагрузки. Поэтому надёжность симисторных стабилизаторов обеспечивает с помощью дополнительных мер защиты.
Большое количество тиристорных стабилизаторов представлено в ассортименте официального дилера компании Энергия.
Принцип работы, сильные и слабые стороны тиристорных стабилизаторов
Тиристорный стабилизатор напряжения функционирует следующим образом:
Однофазный тиристорный стабилизатор напряжения регулирует выходное напряжение с помощью переподключения витков на обмотках дополнительного трансформатора. Таким же образом работает и трёхфазное оборудование, оснащённое системой синхронизации фазовых блоков.
К достоинствам тиристорных нормализаторов относят:
Недостатки такого оборудования заключаются в:
Тиристорные устройства стабилизации обеспечивают выравнивание выходного тока в рамках 214-226 В, что является весьма высоким показателем. В то же время, они требуют надёжной защиты от перегрева и токовых перегрузок, что приводит к усложнению конструкции оборудования.
Симисторные стабилизаторы: основные плюсы и минусы
Симисторный стабилизатор напряжения работает по схожему принципу с тиристорным, но имеет ряд особенностей, которые нужно обязательно учитывать при выборе.
Во-первых, один симистор занимает площадь, достаточную для размещения 4-6 тиристоров. Как следствие растут габариты и вес всего устройства стабилизации.
Во-вторых, симисторы нагреваются куда сильнее тиристорных ключей, в частности, при возникновении пусковых токов, в несколько раз превышающих рабочие. Это повышает риск выхода из строя электронных ключей при дефиците запаса выходной мощности стабилизатора, который должен составлять как минимум 25% от номинальной потребляемой.
В-третьих, и трёхфазный, и однофазный симисторный стабилизатор напряжения в процессе работы образует кратковременные всплески и провалы нагрузки аналогично с релейными стабилизаторами. Поэтому чувствительные к помехам и аномалиям тока потребители, подключённые к такому нормализатору, должны дополнительно оснащаться элементами, позволяющими компенсировать отклонения параметров напряжения, К примеру, варисторами.
В-четвёртых, симисторные устройства стабилизации весьма сложны в управлении, которое реализуется посредством определённой программной прошивки контроллера. Последний при внештатных режимах работы, например, снижении качества охлаждения или длительных избыточных импульсов на входе может выйти из строя, равно как и прошивка может в любой момент «слететь». Замена схемы – занятие не из дешёвых, однако главную сложность представляет восстановление программы, поскольку производители редко распространяют её содержание.
К прочим недостаткам симисторного оборудования можно отнести:
Что касается достоинств, у симисторных нормализаторов их по меньшей мере несколько:
Наконец, именно симисторные стабилизирующие аппараты обладают наилучшим соотношением надёжности в работе и стоимости, что и определяет их стремительно растущую популярность на рынке.
Дополнительные рекомендации по выбору
При выборе электронного стабилизатора напряжения крайне важно учитывать условия, в которых он будет эксплуатироваться. Например, тиристорное оборудование не может работать в помещениях с влажностью воздуха выше 80%, а симисторное часто нуждается в дополнительном охлаждении и защите от токовых аномалий.
В любом случае облегчить поиск модели, удовлетворяющей требования по защите конкретной электросети, позволит лишь внимательное изучение и сравнение характеристик представителей обеих категорий электронных стабилизаторов.
Виды стабилизаторов напряжения по классу напряжения
Промышленность выпускает широкую гамму стабилизаторов.
Различают однофазные и трехфазные устройства.
По диапазону выходных напряжений электронное оборудование для однофазных сетей рассчитано на 220 – 240 В (популярна также промежуточная градация 230 В), доступны феррорезонансные стабилизаторы на 110 – 120 В.
Бытовое оборудование для трехфазных электросетей обеспечивает выходное напряжение 380 – 415 В вне зависимости от применяемых схемных решений и отдаваемого тока нагрузки.
Техника промышленного назначения может иметь более высокое выходное напряжение: вплоть до 6 – 10 кВ.
Принцип работы, сильные и слабые стороны тиристорных стабилизаторов
| 1. | При изменении параметров входного тока фаза задержки (длительностью до 20 мс) используется для измерения значения входного напряжения сети. |
| 2. | Сравнив фактические и допустимые токовые характеристики, при необходимости процессор платы управления подает команду на коррекцию напряжения на выходе. |
| 3. | В случаях, когда отклонения входного напряжения находятся в рамках допустимого диапазона, происходит его коррекция до необходимого значения. |
| 4. | При скачках напряжения, выходящих за рамки допустимого диапазона, система защиты обеспечивает аварийное отключение устройства. |
Тиристорные стабилизаторы напряжения обладают следующими преимуществами:
Тиристорные приборы также отличаются высокой точностью стабилизации напряжения на выходе (от 5 до 10 %) по сравнению с релейными моделями, а также широким диапазоном напряжения на входе, который позволяет их использовать в сетях с крайне некачественным напряжением.
Серьезным недостатком тиристорных стабилизаторов является дискретность (ступенчатость) коррекции напряжения. Ступенчатые скачки напряжения, которые появляются при переключении трансформаторных обмоток, ухудшают точность стабилизации, что существенно снижает скорость работы прибора. Из-за этого тиристорные стабилизаторы нельзя использовать для питания нагрузки, особо чувствительной к перепадам напряжения (например, ПК и периферийных устройств, профессиональных аудио- и видеоприборов, а также приборов с электронным управлением).
Кроме того, выходное напряжение тиристорных стабилизаторов имеет форму, отличную от синусоидальной (трапециевидную или с другими искажениями, в зависимости от конкретной модели), что делает нежелательным их использование для питания нагрузок с электродвигателями (например, насосов, систем отопления).
Симисторный стабилизатор
В этом устройстве в качестве электронных ключей, управляющих переключением секций силового трансформатора, используются симисторы. Это полупроводниковые приборы, объединяющие в одном корпусе два тиристора. Симистор, или симметричный тиристор, проводит ток в двух направлениях, поэтому силовой ключ выполнен на одном полупроводниковом приборе.
Симисторный стабилизатор напряжения имеет ряд недостатков по сравнению с тиристорными устройствами. Стабилизатор очень критичен к выбросам напряжения при работе с индуктивной нагрузкой. Вместе с тем он обеспечивает высокую точность регулирования.
В отличие от электромагнитных реле, симисторы переключаются за короткий промежуток времени, а отсутствие контактов и других механических элементов делает такие стабилизаторы очень надёжными. Мощные электронные ключи сильно нагреваются в процессе работы, поэтому симисторы монтируются на радиаторы, что увеличивает габариты прибора. Для лучшего охлаждения электронных компонентов симисторный стабилизатор напряжения оборудуется вентилятором.
Тиристоры и симисторы. В чём разница?
Тиристоры и симисторы – полупроводниковые элементы, управление которыми (изменение их коммутационного состояния) осуществляется подачей положительного потенциала на управляющий электрод. Их отличие заключается в количестве слоев с различной проводимостью в пластине элемента.
Тиристор является преобразователем переменного тока однонаправленного действия. В своей структуре элемент имеет управляющий электрод, анод и катод.
Симистор представляет собой два встречно включенных тиристора, которые располагаются параллельно друг другу. У симистора каждый электрод является анодом и катодом одновременно, благодаря чему этот полупроводниковый переключатель способен проводить ток в двух направлениях.
Далее рассмотрим особенности и отличия устройств с коммутацией, реализованной на тиристорных и симисторных ключах.
Походы к выбору стабилизатора
Перечень параметров, по которым выбирают стабилизаторы, обязательно включает:
Большую помощь окажет информация о стабильности сети, уровне импульсных помех в ней.
При определении номинальной мощности суммируют мощности всех потребителей защищаемой сети. Для оценки мощности номинальной нагрузки токовую нагрузочную способность входного автомата умножают на 220 В.
При прочих равных условиях выбирают однофазные модели линейных стабилизаторов, учитывают, что модульные конструкции более удобны в обслуживании.
Учитывают эстетические параметры и количество выходных розеток, рисунок 5.
Рис.5. Вариант исполнения однофазного стабилизатора
Окончательный выбор целесообразно выполнять с учетом производителя и места изготовления. Для определения качества техники юго-восточного производства, выпускаемой без контроля со стороны ведущих западных компаний, имеет смысл изучить профильные форумы. Такой подход позволяет сделать адекватный вывод о качестве прибора.
Кроме технических параметров обязательно принимают во внимание доступность сервисного обслуживания.
Следует учесть, что в продаже имеется большой выбор 220-вольтовых однофазных и 380-вольтовых трехфазных устройств. Стабилизаторы с широким диапазоном регулировки и выходным напряжением других номиналов часто поставляются под заказ.
Промышленность выпускает широкую гамму бытовых стабилизаторов напряжения, что позволяет произвести выбор конкретной модели устройства с учетом конкретной области применения.
Массовый характер рынка стабилизаторов определяет большое количество работающих на нем производящих предприятий, предлагающих свою продукцию через партнерскую сеть. Поэтому перед покупкой следует выполнить тщательный многокритериальный отбор продукта.
Мощный электронный стабилизатор
Одним из лидеров в производстве энергетических систем является компания «Энергия», она применяет в своих разработках инновационные технологии, что позволяет свести до минимума некоторые недостатки тиристорных стабилизаторов напряжения.
Однофазный тиристорный стабилизатор «Энергия Classic 12 000» представляет собой современное и надёжное устройство с высокими параметрами. Устройство работает в интервале входных напряжений от 125 до 254 вольт. Предельно допустимые величины могут составлять 60 вольт по минимуму и 265 вольт по максимуму. Стабилизатор имеет переключающую схему на 12 ступеней, выполненную на мощных тиристорах. Время переключения не превышает 20 мс.
Стабилизатор имеет защиту от пониженного напряжения, повышенного напряжения и перегрузки. При температуре силового трансформатора свыше 120°C так же срабатывает защита и стабилизатор отключается. Допустимая кратковременная перегрузка до 180%, может составлять 0,3 секунды. Входной фильтр подавляет все виды высокочастотных и импульсных помех. При питании нагрузки с нормальным напряжением сети используется система «байпас». Данный стабилизатор компании Энергия рассчитан на эксплуатацию в отапливаемом помещении с уровнем влажности не более 80%.
Что в итоге?
Сравнивая симисторные и тиристорные стабилизаторы напряжения между собой и с другими видами устройств, можно прийти к следующим выводам:
Несмотря на это, симисторные и тиристорные стабилизаторы в настоящее время пользуются большой популярностью: приборы активно применяются для бытовых нужд, так как они издают мало шума при своей работе, неприхотливы в обслуживании и имеют стандартные требования к внешней среде.
Новый тип стабилизаторов напряжения
Симисторные и тиристорные стабилизаторы напряжения сегодня постепенно, но уверенно вытесняет с рынка новый тип устройств – инверторные стабилизаторы напряжения. Разработанные на заводе ГК «Штиль» в 2015 году, устройства получили самые высокие технические характеристики, среди которых:
Больше информации об инверторных стабилизаторах напряжения нового поколения.
Кол-во блоков: 17 | Общее кол-во символов: 18914
Количество использованных доноров: 6
Информация по каждому донору:
Выбор тиристорный или симисторный регулятор мощности
Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.
Принцип работы регулятора на симисторе
Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.
Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.
Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.
Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.
Форма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%
При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.
Варианты схем регулятора
Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.
Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В
Обозначения:
При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.
Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.
К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.
Схема регулятора с обратной связью
Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:
Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.
Регулятор мощности с обратной связью
Обозначения:
Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):
Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.
Таблица для подбора номиналов сопротивлений в зависимости от мощности двигателя
Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.
Регулятор для индуктивной нагрузки
Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.
Существует два варианта решения проблемы:
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Схема регулятора мощности для индуктивной нагрузки
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
Осциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности
Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.
Простой регулятор мощности на симисторе своими руками
В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.
Самодельный регулятор мощности
Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.
Устройства, позволяющие управлять работой электрических приборов, подстраивая их под оптимальные характеристики для пользователя, прочно вошли в обиход. Одним из таких приспособлений является регулятор мощности. Применение таких регуляторов востребовано при использовании электронагревательных и осветительных приборов и в устройствах с двигателями. Схемотехника регуляторов разнообразна, поэтому порой бывает затруднительно подобрать себе оптимальный вариант.
Простейший регулятор энергии
Первые разработки устройств, изменяющие подводимую к нагрузке мощность, были основаны на законе Ома: электрическая мощность равняется произведению тока на напряжение или произведению сопротивления на ток в квадрате. На этом принципе и сконструирован прибор, получивший название — реостат. Он располагается как последовательно, так и параллельно подключённой нагрузке. Изменяя его сопротивление, регулируется и мощность.
Ток, поступая на реостат, разделяется между ним и нагрузкой. При последовательном включении контролируются сила тока и напряжение, а при параллельном — только значение разности потенциалов. В зависимости от материала, из которого изготовлено сопротивление, реостаты могут быть:
Согласно закону сохранения энергии, забранная электрическая энергия не может просто исчезнуть, поэтому в резисторах мощность преобразуется в теплоту, и при большом её значении должна от них отводиться. Для обеспечения отвода используется охлаждение, которое выполняется с помощью обдува или погружением реостата в масло.
Реостат — довольно универсальное приспособление. Единственный, но существенный его минус — это выделение тепла, что не позволяет выполнить устройство с небольшими размерами при необходимости пропускать через него мощность большой величины. Управляя силой тока и напряжения, реостат часто используется в маломощных линиях бытовых приборов. Например, в аудиоаппаратуре для регулировки громкости. Выполнить такой регулятор тока своими руками совсем несложно, в большей мере это касается проволочного реостата.
Для его изготовления понадобится константовая или нихромовая проволока, которая наматывается на оправку. Регулирование электрической мощности происходит путём изменения длины проволоки.
Виды современных устройств
Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.
На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:
При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:
Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.
Тиристорный прибор управления
Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.
Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.
Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.
Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.
Симисторный преобразователь мощности
Симистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях. Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.
Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.
Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.
Фазовый способ трансформации
Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.
Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.
При работе диммеров в широком спектре частот возбуждаются электромагнитные помехи. Такие излучения приводят к снижению КПД из-за появления паразитного тока в проводниках. Для борьбы с такими токами в конструкцию добавляются индуктивно-ёмкостные фильтры.
Практические примеры для повторения
Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.
Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.
Доминирующая схема
Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.
Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.
При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.
В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.
Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.
Контроллер нагрева паяльника
Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.
Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.
Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г.
Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.
Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.
Бытовые электроприборы в наших домах подключаются к одной из фаз трехфазного переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц. Часто бывает необходимо регулировать мощность и напряжение на входе.
Простейший регулятор мощности можно сделать на трансформаторе.
Способы регулирования мощности
Соотношение напряжения на входе и выходе определяется числом витков в первичной и вторичной обмотках. Сделав много отводов на вторичной обмотке, можно осуществить ступенчатое регулирование. По такой схеме работают релейные стабилизаторы напряжения.
Плюсов у такой схемы немало. В первую очередь, это ее простота. А также высокий КПД трансформатора, гальваническая развязка входа и выхода, чисто синусоидальная форма выходного тока.
Однако, на частоте сети 50 Гц мощные трансформаторы становятся тяжелыми и громоздкими, невозможно плавно регулировать мощность, определенные проблемы возникают при коммутации обмоток.
Другой способ регулирования мощности называется методом фазового регулирования. При этом способе нагрузка подключается к источнику через электронный ключ.
Ключ прерывает цепь питания на определенную долю периода синусоиды переменного тока. Меняя время закрытого состояния ключа, можно регулировать величину мощности, передаваемой в нагрузку и действующее значение напряжения на выходе.
Принцип работы тиристорного ключа
Для работы в режиме фазного регулирования надо открыть ключ с некоторой задержкой относительно начала полупериода и оставить его в открытом состоянии до конца полуволны, когда ток будет переходить через 0.
Для этой цели как нельзя лучше подходят приборы из семейства тиристоров.
Тиристор очень похож на биполярный транзистор. У него тоже три электрода: анод, катод и база. Он также управляется базовым током. Но в отличие от биполярного транзистора, тиристор сохраняет открытое состояние и после снятия управляющего сигнала до того момента, пока ток через него не снизится практически до нуля. Это и нужно для реализации схемы фазового регулирования.
Симистор как симметричный тиристор
Тиристор — прибор с тремя p-n переходами. Структура тиристора имеет вид p-n-p-n или n-p-n-p. То есть, как и транзисторы, тиристоры бывают прямой и обратной проводимости. Тиристорный ключ проводит ток в одном направлении в зависимости от своего типа.
Если соединить два тиристора с разными типами проводимости параллельно, объединив управляющие входы, мы получим симметричный тиристор — симистор. Он работает точно так же, как и тиристор, но пропускает ток в обоих направлениях.
В качестве примера можно взять отечественный симистор КУ208Г.
Характеристики симистора:
Динистор как симистор без управляющего входа
Симистор без управляющего входа называется динистором. Характеристика динистора приведена на рисунке ниже.
Из нее следует, что динистор работает наподобие разрядника. Когда напряжение между его катодом и анодом превышает определенную величину, он переходит в открытое состояние и начинает проводить ток. Динистор удобно использовать для управления тиристорными ключами.
Простейшая схема симисторного регулятора
Рассмотрим самую простую схему симисторного регулятора напряжения.
В этой схеме всего пять элементов, но она вполне работоспособна. Время заряда емкости регулируется переменным резистором.
Когда напряжение на конденсаторе достигнет уровня примерно 30 В, динистор начинает проводить ток и открывает симистор, который остается в открытом состоянии до конца полупериода, когда ток начнет переходить через 0. Затем цикл повторяется уже с другой полярностью.
Это универсальная схема. Она может применяться для самых разных нагрузок. Для управления индуктивными нагрузками, такими как двигатель пылесоса, необходимо защитить симистор от бросков напряжения при выключении варистором и RC-цепочкой, присоединенными параллельно симистору.
Использование микросхемы К1182 ПМ1
Для построения тиристорных и симисторных регуляторов выпускается специальная микросхема К1182 ПМ1. На кристалле микросхемы реализована почти законченная схема фазового регулятора мощности.
Два тиристора включены параллельно и навстречу друг другу. Их управляющие входы подключены чрез развязывающие диоды к выходу блока управления. Встроенный диодный мост вырабатывает напряжение питания для блока управления.
На выводы AC1 и AC2 подается напряжение 220 В. К выводам UST1+ и UST2+ подключаются конденсаторы, формирующие задержку включения тиристоров. К выводам С+ и C- подключается элемент управления — переменный резистор или RС цепочка.
Ниже приведены рекомендованные производителем схемы включения маломощных нагрузок непосредственно к микросхеме.
При необходимости подключения мощных нагрузок используются внешние тиристоры или симисторы.
Вариант с двумя тиристорами.
Вариант с симистором.
Микросхема выпускается в трех типах корпусов:
Собрать симисторный регулятор мощности своими руками может любой радиолюбитель.
Регулятор мощности на микроконтроллере
В последнее время стало модным использовать для управления самыми разными устройствами микроконтроллеры. Микроконтроллеры, представляющие собой микрокомпьютер на кристалле, обвешанный к тому же и встроенными таймерами, АЦП, ЦАП и тому подобными устройствами, представляют разработчикам практически неограниченные возможности.
Вариант реализации симисторного регулятора мощности на микроконтроллере ATmega 8 приведен ниже.
Особенностью схемы является использование оптоэлектронных микросхем для гальванической развязки схемы управления и силовых цепей. Микроконтроллер имеет собственное питание, условно обозначенное на схеме батарейкой. Диодный мост служит двуполупериодным выпрямителем, к выходу которого через оптопару подключен вход контроллера. На этом входе контроллера формируется сигнал в начале каждого полупериода сетевой частоты. Мощный тиристор подключается к выходу контроллера через оптический элемент — оптосимистор.
Кнопками подаются сигналы на увеличение или уменьшение мощности. Оптические элементы обеспечивают необходимый уровень изоляции цепей управления от высоковольтной части схемы. Интеллект микроконтроллера позволяет строить и более сложные схемы, например, схему трехфазного регулятора мощности.