Симисторный регулятор мощности с микроконтроллерным управлением / Хабр

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

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

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

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

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

Как это работает? Рассмотрим рисунок.

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

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

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

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

И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии:

Симисторные и тиристорные регуляторы предназначены для изменения скорости вращения однофазных двигателей, методом изменения выходного напряжения, с помощью симистора. — — Статьи

Регуляторы скорости MTY предназначены для ручного регулирования скорости вращения электродвигателей (230 В, 50 Гц) вентиляторов выходного напряжения с помощью симистора. Регуляторы MTY имеют влагонепроницаемый корпус.

Симисторные регуляторы скорости предназначены для изменения скорости вращения однофазных двигателей 220В, методом

 изменения выходного напряжения, с помощью симистора. Возможно одновременное подключение нескольких вентиляторов 

 к одному регулятору, если сумма потребляемого тока двигателей не превышает номинал регулятора. Влагостойкий корпус из

 ПВХ позволяет использовать это устройство в любых (например, с повышенной влажностью) условиях: на кухнях или в ванных

 комнатах. На передней панели регуляторов размещается регулирующая ручка со встроенным выключателем. Входная цепь

 регуляторов защищена плавким предохрыганителем. Все модели снабжены дополнительным (нерегулируемым) выходом 230 В.

 Рекомендуется подключать к регуляторам электродвигатели со встроенными термоконтактами тепловой защиты. Регулирование

 скорости: Регулирование скорости электродвигателей осуществляется вручную с помощью выбора требуемого положения ручки 

Стандартное выходное напряжение типовых моделей плавно изменяется в диапазоне 0-230 В.

Применение: Регуляторы предназначены для ручного регулирования скорости вращения электродвига- телей (230 В, 50 Гц) вентиляторов,

 управляемых напряжением. Допускается управление несколькими двигателями, если общий потребляемый ток двига- телей не

 превышает предельно допустимой величины тока симистора. ● Технические характеристики: Эти регуляторы отличаются высокой

 эффективностью и точностью управления. Влагостойкий корпус из АБС пластика позволяет использовать это устройство в любых

 (на- пример, с повышенной влажностью) условиях: на кухнях или в ванных комнатах. На перед- ней панели регуляторов

 размещается регулирующая ручка со встроенным выключателем. Регулирование скорости: Регулирование скорости

 электродвигателей осуществляется вручную, для включения необходимо нажать на ручку и вращая по «часовой стрелке»

 установить необходимую скорость.

ПРИМЕНЕНИЕ Симисторный регулятор СРМ применяется в системах вентиляции и кондиционирования для плавного изменения

 скорости вращения однофазных асинхронных двигателей на 220В.Работа регулятора основана на изменении выходного 

 напряжения с помощью симистора. Регулирование ведется от минимально возможного значения напряжения (при котором 

 вентилятор начинает стабильно вращаться) до значения 220 В. Допускается управлять несколькими двигателями, если общий

 потребляемый ток не превышает предельно допустимой величины. ОПИСАНИЕ РАБОТЫ При нажатии кнопки PUSH на двигатель 

 вентилятора подается напряжение, и он начинает вращаться. Загорается зеленый светодиод СЕТЬ. Нужная скорость вращения

 задается поворотом ручки. Для выключения вентилятора необходимо повторно нажать кнопку PUSH.

ПРИМЕНЕНИЕ Симисторный регулятор СРС применяется в системах вентиляции и кондиционирования для плавного изменения скорости вращения однофазных асинхронных двигателей на 220В.

 Работа регулятора основана на изменении выходного напряжения с помощью симистора. Регулирование ведется

 от минимально возможного значения напряжения (при котором вентилятор начинает стабильно вращаться) до значения 220 В. 

 Допускается управлять несколькими двигателями, если общий потребляемый ток не превышает предельно допустимой величины.

 ОПИСАНИЕ РАБОТЫ При нажатии кнопки PUSH на двигатель вентилятора подается напряжение, и он начинает вращаться. 

 Загорается зеленый светодиод СЕТЬ. Нужная скорость вращения задается поворотом ручки. Для выключения вентилятора 

 необходимо повторно нажать кнопку PUSH.

ПРИМЕНЕНИЕ Симисторный регулятор скорости для установки в щиты управления. Плавное регулирование ведется от 100 до 220 В. Работа регулятора основана на изменении выходного напряжения с помощью симистора. Возможно управление от внешнего сигнала 0-10 В. Применяется в системах вентиляции для регулирования скорости вращения канальных вентиляторов.РЕЖИМЫ РАБОТЫ Возможны 2 режима управления вентилятором: Локальный — вентилятор управляется с лицевой панели регулятора, устанавливается при изготовлении. Дистанционный — управление числом оборотов вентилятора подаваемым внешним напряжением 0-10 В или переменным резистором 4,7 — 10 кОм. Недопустимо одновременное подключение сопротивления и сигнала 0-10 В. Режим работы устанавливается с помощью переключателем на лицевой панели регулятора:

 Регуляторы скорости ETY, MTY предназначен для регулировки скорости вращения вентиляторов с однофазными электродвигателями.

 Тиристорные регуляторы скорости ETY Однофазные регуляторы скорости вращения вентиляторов.

 Позиционер двух типов вход 24В или 220В, выход 0-10В для скрытого или настенного монтажа.

Что такое симистор — симисторный переключатель » Electronics Notes

Симисторы — это полупроводниковые устройства, которые широко используются для коммутации переменного тока средней мощности — их преимущество в том, что они могут коммутировать обе половины переменного цикла.

Симистор, диак, тиристор Учебное пособие Включает:
Основы работы с тиристорами
Структура тиристорного устройства
Тиристорный режим
Затвор выключения тиристора, ГТО
Технические характеристики тиристора
Что такое симистор
Технические характеристики симистора
Обзор Диака

Триаки — это электронные компоненты, которые широко используются в устройствах управления питанием переменного тока. Они могут переключать высокое напряжение и высокий уровень тока, а также обе части сигнала переменного тока. Это делает симисторные схемы идеальными для использования в различных приложениях, где требуется переключение питания.

Одним из конкретных применений симисторных цепей являются диммеры для бытового освещения, а также они используются во многих других ситуациях управления мощностью, включая управление двигателем и электронные переключатели.

Симистор среднего тока

Из-за своих характеристик симисторы, как правило, используются для электронных коммутационных устройств малой и средней мощности, в то время как тиристоры используются для коммутации переменного тока с очень высокими тепловыми нагрузками.

Основы симистора

Симистор является развитием тиристора. В то время как тиристор может контролировать ток только в течение одной половины цикла, симистор контролирует его в течение двух половин формы волны переменного тока.

Форма сигнала переключения симистора

Таким образом, симистор можно рассматривать как пару параллельных, но противоположных тиристоров с двумя затворами, соединенными вместе, и анодом одного устройства, подключенным к катоду другого, и т. д.

Тот факт, что действие переключения симистора происходит на обеих половинах сигнала переменного тока, означает, что для приложений электронного переключения переменного тока можно использовать полный цикл.

Для базовых тиристорных цепей используется только половина формы волны, и это означает, что базовые схемы, использующие тиристоры, не будут использовать обе половины цикла. Для использования обеих половин требуется два устройства.

Однако симистору требуется только одно устройство для управления обеими половинами сигнала переменного тока, и во многих отношениях это идеальное решение для электронного переключателя переменного тока.

Символ симистора

Как и другие электронные компоненты, симистор имеет собственный символ цепи для использования на принципиальных схемах, что указывает на его двунаправленные свойства. Символ симистора можно рассматривать как пару символов тиристора в противоположных смыслах, слитых вместе.

Символ цепи симистора

Как и тиристор, симистор имеет три вывода. Однако их названия немного сложнее присвоить, потому что основные токоведущие клеммы подключены к тому, что фактически является катодом одного тиристора и анодом другого в общем устройстве.

Есть ворота, которые действуют как триггер для включения устройства. В дополнение к этому другие терминалы называются анодами или основными терминалами. Они обычно обозначаются как Анод 1 и Анод 2 или Основной Терминал 1 и Основной Терминал 2 (MT1 и MT2). При использовании симисторов и МТ1, и МТ2 имеют очень похожие свойства.

Как работает симистор?

Прежде чем рассматривать, как работает симистор, полезно иметь представление о том, как работает тиристор. Таким образом, основные понятия можно понять для более простого полупроводникового устройства, а затем применить к более сложному симистору.

Подробнее о . . . . Основы тиристора/тиристора.

Для работы симистора из символа схемы можно представить, что симистор состоит из двух тиристоров, включенных параллельно, но по-разному. Таким образом можно рассматривать работу симистора, хотя реальная работа на полупроводниковом уровне несколько сложнее.

Эквивалентная схема симистора

Структура симистора показана ниже, и можно увидеть, что есть несколько областей материала N-типа и P-типа, которые образуют то, что фактически представляет собой пару встречных тиристоров.

Базовая структура симистора

Симистор может проводить больше проводов, чем тиристор. Он может проводить ток независимо от полярности напряжения на клеммах MT1 и MT2. Он также может запускаться положительным или отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2. Это означает, что существует четыре режима запуска или квадранта:

• Режим I+   Ток MT2 +ve, ток затвора +ve
• I-Mode   Ток MT2 равен +ve, ток затвора равен -ve
• Режим III+:   Ток MT2 равен -ve, ток затвора равен +ve
• III- Режим:   Ток MT2 -ve, ток затвора -ve

Установлено, что чувствительность триггерного тока триггера наибольшая, когда токи MT2 и затвора имеют одинаковую полярность, т. е. оба положительные или оба отрицательные. Если токи затвора и MT2 имеют противоположную полярность, то чувствительность обычно составляет примерно половину значения, когда они одинаковы.

Типичная ВАХ симистора показана на диаграмме ниже, где отмечены четыре различных квадранта.

Характеристики симистора IV

Применение симистора

Триаки

используются во многих приложениях. Эти электронные компоненты часто используются для коммутации переменного тока малой и средней мощности. Там, где необходимо переключать большие уровни мощности, как правило, используются два тиристора / тринистора, поскольку ими легче управлять.

Тем не менее симисторы широко используются во многих приложениях:

• Управление освещением, особенно бытовыми диммерами.
• Управление вентиляторами и малыми двигателями.
• Электронные выключатели для общего включения и управления переменным током

Естественно, существует множество других применений симистора, но эти являются одними из самых распространенных.

В одном конкретном приложении симисторы могут быть включены в модули, называемые твердотельными реле. Здесь оптическая версия этого полупроводникового устройства активируется светодиодным источником света, который включает твердотельное реле в соответствии с входным сигналом.

Обычно в твердотельных реле светодиодный или инфракрасный источник и оптический симистор находятся в одном корпусе, при этом обеспечивается достаточная изоляция, чтобы выдерживать высокие напряжения, которые могут достигать сотен вольт или, возможно, даже больше.

Твердотельные реле бывают разных форм, но те, которые используются для переключения переменного тока, могут использовать симистор.

Использование симисторов

При использовании симисторов необходимо учитывать ряд моментов. Хотя эти полупроводниковые устройства работают очень хорошо, чтобы получить от них максимальную производительность, необходимо понять несколько советов по использованию симисторов.

Обнаружено, что из-за их внутренней конструкции и небольших различий между двумя половинками эти электронные компоненты не срабатывают симметрично. Это приводит к генерированию гармоник: чем менее симметрично срабатывает симистор, тем выше уровень генерируемых гармоник.

Обычно нежелательно иметь высокий уровень гармоник в энергосистеме, поэтому симисторы не рекомендуются для систем большой мощности. Вместо этого для этих систем можно использовать два тиристора, так как легче контролировать их открытие.

Чтобы помочь в преодолении проблемы несимметричного срабатывания симистора и возникающих в результате гармоник, другое полупроводниковое устройство, известное как диак (диодный переключатель переменного тока), часто помещают последовательно с затвором симистора.

Включение этого полупроводникового устройства помогает сделать переключение более равномерным для обеих половин цикла и тем самым создать более эффективный электронный переключатель.

Это связано с тем, что характеристика переключения диака намного более равномерна, чем у симистора. Поскольку симистор предотвращает протекание любого тока затвора до тех пор, пока напряжение триггера не достигнет определенного напряжения в любом направлении, это делает точку срабатывания симистора более равномерной в обоих направлениях.

Внутренняя схема симисторного диммера

Примеры симисторной схемы

Существует множество способов использования симисторов. Два приведенных ниже примера дают представление о том, что можно сделать с этими полупроводниковыми устройствами.

• Простая схема электронного переключателя симистора:  Симистор может функционировать как электронный переключатель — он может позволить пусковому импульсу маломощного переключателя включить симистор для управления гораздо более высокими уровнями мощности, которые могут быть возможны с простой переключатель.
  Схема простого симисторного переключателя
• Триак с регулируемой мощностью или диммер:  Одна из самых популярных схем симистора изменяет фазу на входе симистора для управления мощностью, которая может рассеиваться в нагрузку.
  Базовая симисторная схема, использующая фазу входного сигнала для управления рассеиваемой мощностью в нагрузке

Существует множество других схем симисторов, которые можно использовать. Устройство очень универсально и может использоваться в различных схемах, как правило, для обеспечения различных форм переключения переменного тока.

Примечание по симисторным схемам и конструкции:

Симисторные схемы могут переключать обе половины на переменный сигнал с помощью одного устройства, что делает их очень привлекательными для использования во многих схемах переключения переменного тока малой и средней мощности.

Подробнее о Симисторные схемы и дизайн

Технические характеристики симистора

Триаки имеют многие характеристики, которые очень похожи на характеристики тиристоров, хотя очевидно, что они предназначены для работы симистора в обеих половинах цикла и должны интерпретироваться как таковые.

Однако, поскольку их действие очень похоже, то же самое можно сказать и о базовых типах спецификаций. Такие параметры, как ток срабатывания затвора, повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии и т.п., необходимы при разработке симисторной схемы, обеспечивая достаточный запас для надежной работы схемы.

Подробнее о . . . . характеристики симистора.

Симисторы

идеально подходят для использования во многих маломощных устройствах переменного тока. Симисторные схемы для использования в качестве диммеров и небольших электронных переключателей широко распространены, они просты и легки в реализации. При использовании симисторов в схему часто включают диаки, как упоминалось выше, чтобы помочь снизить уровень производимых гармоник.

Другие электронные компоненты:
Батарейки
конденсаторы
Соединители
Диоды
полевой транзистор
Индукторы
Типы памяти
Фототранзистор
Кристаллы кварца
Реле
Резисторы
ВЧ-разъемы
Переключатели
Технология поверхностного монтажа
Тиристор
Трансформеры
Транзистор
Клапаны/трубки

    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Принципы и схемы симистора — Часть 1

» Перейти к разделу «Дополнительно»

Симистор — это управляемый твердотельный переключатель 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.

Основы симистора

Симистор представляет собой твердотельный тиристор с тремя выводами (MT1, затвор и MT2), который использует альтернативные символы 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 — по соображениям 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

Большинство симисторов, как и SCR, подвержены проблемам «скорости-эффекта». 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 снабберную 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

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 цепи. 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.

В первые дни разработки симистора некоторые специализированные устройства производились со встроенным диодом последовательно с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали символ схемы Рисунок 7 . Quadrac не имели коммерческого успеха и сейчас устарели.

Варианты выключателя питания переменного тока

Самый простой тип симисторного выключателя питания — это Рисунок 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.

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 постоянного тока 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 разомкнут, и симистор открыт в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, между ZD1-ZD2-R2 возникает почти короткое замыкание, и симистор выключен. 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 на рисунках 13 и 14 , в которых UJT является старым типом 2N2646 или его современным аналогом. 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.

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.

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 версии DIL 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.

На рис. 17 показан симистор с оптронной 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 9.0193 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 снабберную сеть для подавления эффектов скорости.

Синхронный силовой выключатель «нулевого напряжения»

Синхронный силовой выключатель «нулевого напряжения» (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.

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.

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. Таким образом, ток затвора может подаваться на симистор только тогда, когда SW1 замкнут, а мгновенное линейное напряжение переменного тока находится в пределах нескольких вольт от нуля; Таким образом, эта схема генерирует минимальные коммутационные радиочастотные помехи.

На рис. 21 показана схема, модифицированная таким образом, что симистор может включаться только при разомкнутом переключателе SW1. Обратите внимание, что в обоих случаях на симистор подается только узкий импульс тока затвора, и, таким образом, средний ток затвора составляет всего 1 мА или около того.