С целью коммутации нагрузок в цепях переменного тока удобно использовать симисторы, представляющие собой разновидность тиристора, однако отличающиеся от тиристора возможностью в открытом состоянии проводить ток обоих направлений.
Первые конструкции симисторов рассматривались уже в 1963 году, тогда например Мордовский научно-исследовательский электротехнический институт уже подал заявку на патент на симметричный тиристор (Патент SU 349356 A, Думаневич А.Н. и Евсеев Ю.А.), а General Electric занимались коммерческим внедрением того же изделия под названием «Triac» на западе.
Тогда как у тиристора имеются четко определенные катод, анод и управляющий электрод, у симистора катод и анод в процессе его работы меняются местами, в зависимости от направления тока в текущий момент.
Безусловно, сигнал на управляющий электрод (затвор) симистора подается всегда относительно конкретного условного катода, но ток через открытый симистор может течь в любом направлении, и в этом смысле симистор в открытом состоянии можно рассматривать как два диода, включенные встречно-параллельно.
Симистор отличается пятислойной структурой полупроводника. Эквивалентно более точно его можно представить в виде двух триодных тиристоров, включённых встречно-параллельно, причем управляющий электрод, в отличие от тиристора, здесь только один.
Чтобы управлять мощной нагрузкой, симистор, подобно выключателю, включают в цепь нагрузки последовательно. И тогда: в закрытом состоянии симистор будет закрыт, нагрузка окажется обесточена, а при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод симистора, между основными электродами симистора появится проводимость — через нагрузку потечет ток. Причем ток может течь через открытый симистор в любом направлении, не то что у тиристора.
Для удержания симистора в открытом состоянии нет необходимости удерживать сигнал управления на управляющем электроде, достаточно подать сигнал, после чего ток установится и будет продолжать течь — в этом отличие симистора от транзистора. Когда же ток через симистор (через цепь нагрузки) станет ниже тока удержания (для переменного тока — в момент перехода тока через ноль), симистор закроется, и для его отпирания потребуется снова подать отпирающий сигнал на управляющий электрод.
Полярность управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод симистора, может либо быть отрицательной, либо совпадать с полярностью напряжения, приложенного к условному аноду. По этой причине популярно такое управление, когда сигнал управления подается прямо с условного анода через ограничительную цепь и выключатель, — просто задается ток достаточный для отпирания симистора.
Из-за глубокой положительной обратной связи, например при индуктивной нагрузке, высокие скорости изменения напряжения или тока симистора могут привести к несвоевременному отпиранию симистора, и к большой мгновенной мощности, которая будет быстро рассеяна на кристалле, и окажется способна разрушить его. Для защиты от вредных выбросов, параллельно симистору в некоторых схемах ставят варистор, а для защиты от высоких значений dU/dt – применяют RC-снабберы.
Применение симистора вместо реле:
Симисторные регуляторы мощности для управления различными мощными нагрузками в цепях переменного тока очень популярны сегодня. Такие регуляторы для ламп называются диммерами, а регуляторы для разных инструментов, для коллекторных двигателей — просто симисторными регуляторами. Схемы их довольно компактны и просты, ведь на управляющий электрод симистора достаточно периодически подавать 0,7 вольт при токе порядка 10 мА, что легко реализуется при помощи RC-цепочки, а в более сложном виде — на базе ШИМ-контроллера, на том же 555 таймере.
Существует огромное число различных вариантов симисторных и тринисторных регуляторов тока. Однако практически все они предназначены для работы либо на чисто активную, либо на слабо индуктивную нагрузку. Автор предлагает регулятор с фазоимпульсным управлением, предназначенный для работы на нагрузку, импеданс которой может изменяться от чисто активного до чисто индуктивного, причём даже в процессе работы. Активная и индуктивная компоненты могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Недостаток предлагаемого регулятора — положение его органа управления, соответствующее максимальному эффективному значению тока, зависит от характера нагрузки.
Устройства, позволяющие регулировать эффективное значение тока нагрузки, обычно содержат узел управления, который открывает симистор с задержкой а относительно начала полупериода сетевого напряжения (рис. 1). При отсутствии задержки (α=0) ток в активной нагрузке максимален, при задержке на половину периода (α =180°) он отсутствует. Симистор закрывается в конце каждого полупериода, когда текущий через него и нагрузку ток становится меньше свойственного ему тока удержания.
При работе на нагрузку с индуктивной компонентой импеданса (электродвигатель или трансформатор) ток через симистор не прекращается в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Он продолжает течь ещё некоторое время за счёт энергии, накопленной в индуктивности нагрузки (рис. 2).
Изображённая здесь осциллограмма тока соответствует параллельному соединению активного сопротивления и индуктивности нагрузки. Основное отличие при их последовательном соединении состоит в том, что тогда ток не возрастает скачком в момент открывания симистора, а нарастает плавно со скоростью, определяемой отношением этих компонентов. Это может нарушить работу регулятора, если за время действия открывающего симистор импульса ток не успевает стать больше тока удержания.
Но наиболее опасна для индуктивной нагрузки симисторного регулятора его работа при слишком малой задержке импульса управления. В этом случае (рис. 3) симистор к приходу очередного импульса не успевает закрыться и поэтому, закрывшись уже после его окончания, остаётся в этом состоянии до следующего импульса. Регулятор переходит в аварийный «однополупериодный» режим работы с большой постоянной составляющей тока нагрузки. Чтобы предотвратить это явление, необходимо увеличивать длительность импульса управления до значения, гарантирующего открывание симистора в текущем полупериоде.
Схема предлагаемого регулятора показана на рис. 4. Узел его питания, ставший уже стандартным для подобных устройств [1], состоит из резистора R1, конденсаторов С1-С3, диодов VD1, VD2 и стабилитрона VD3. На резисторах R2-R5 и логических элементах DD1.1, DD1.2 реализован узел синхронизации с сетевым напряжением, схема которого взята из [2] с некоторыми модификациями. Элемент DD1.1 в моменты перехода мгновенного значения сетевого напряжения через ноль формирует на своём выходе короткие синхроимпульсы высокого уровня, элемент DD1.2 служит их повторителем.
Необходимую задержку открывания симистора VS1 относительно импульса синхронизации обеспечивает одновибратор [3] на логических элементах DD2.1 и DD2.2. Он запускается в момент окончания импульса положительной полярности, формируемого из синхроимпульса дифференцирующей цепью C4R7. По истечении выдержки, продолжительность которой определяется цепью R6R8C5, высокий уровень на выходе элемента DD2.1 сменяется низким. Для подготовки одновибратора к генерации следующего импульса конденсатор С5 разряжается через диод VD4.
Узел контроля состояния симистора, состоящий из резисторов R9-R12 и элементов DD1.3, DD1.4, аналогичен узлу синхронизации с сетевым напряжением. На выходе элемента DD1.4 низкий уровень присутствует только при ненулевом напряжении на симисторе — это означает, что он закрыт.
При условии, что импульс синхронизации с сетью закончился, формируемая одновибратором задержка истекла, а симистор закрылся, на выходе элемента DD2.3 будет установлен высокий уровень. Через открывшийся транзистор VT3 в цепи управляющего электрода симистора VS1 потечёт ток. Он прекратится, когда в результате открывания симистора указанное условие будет нарушено.
Узел контроля состояния симистора, состоящий из резисторов R9-R12 и элементов DD1.3, DD1.4, аналогичен узлу синхронизации с сетевым напряжением. На выходе элемента DD1.4 низкий уровень присутствует только при ненулевом напряжении на симисторе — это означает, что он закрыт.
При условии, что импульс синхронизации с сетью закончился, формируемая одновибратором задержка истекла, а симистор закрылся, на выходе элемента DD2.3 будет установлен высокий уровень. Через открывшийся транзистор VT3 в цепи управляющего электрода симистора VS1 потечёт ток. Он прекратится, когда в результате открывания симистора указанное условие будет нарушено. Поэтому открывающий импульс всегда имеет длительность, необходимую и достаточную для правильной работы устройства.
Микросхемы К561ЛП2 и К561ЛЕ10 могут быть заменены аналогичными из серии 564 или импортными из серий 4000. При необходимости элементы DD1.2 и DD1.4 без ущерба для работоспособности регулятора можно исключить из схемы и использовать в других целях. Если применены микросхемы серии 164 или К176, вместо стабилитрона Д814Г желательно установить Д814Б, Д814В или другой с напряжением стабилизации около 9 В.
Диоды КД509А допускается заменять любыми маломощными кремниевыми. Такую же замену можно попробовать и для диода Д9Б в случае отсутствия другого германиевого. Вместо КТ315А подойдёт любой кремниевый транзистор структуры n-p-n малой или средней мощности с коэффициентом передачи тока не менее 50. Симистор VS1 должен быть установлен на тепло-отвод, площадь которого зависит от максимального тока нагрузки.
Правильно собранный регулятор налаживания не требует. Возможно, для получения нужных пределов регулирования потребуется подобрать номиналы резисторов R6 и R8. При монтаже и эксплуатации устройства следует помнить, что все его элементы находятся под сетевым напряжением.
Литература
1. Бирюков С. Симисторные регуляторы мощности. — Радио, 1996, № 1, с. 43-46.
2. Абрамский А. Симисторный регулятор с обратными связями. — Радио, 2002, № 4, с. 24, 25.
3. Самойленко А. Управляемый одновибратор. — Радио, 1999, № 5, с. 38, 39.
Автор: А. Староверов, г. Вологда
Существует огромное число различных вариантов симисторных и тринисторных регуляторов тока. Однако практически все они предназначены для работы либо на чисто активную, либо на слабо индуктивную нагрузку. Автор предлагает регулятор с фазоимпульсным управлением, предназначенный для работы на нагрузку, импеданс которой может изменяться от чисто активного до чисто индуктивного, причём даже в процессе работы. Активная и индуктивная компоненты могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Недостаток предлагаемого регулятора — положение его органа управления, соответствующее максимальному эффективному значению тока, зависит от характера нагрузки.
Устройства, позволяющие регулировать эффективное значение тока нагрузки, обычно содержат узел управления, который открывает симистор с задержкой а относительно начала полупериода сетевого напряжения (рис. 1). При отсутствии задержки (α=0) ток в активной нагрузке максимален, при задержке на половину периода (α =180°) он отсутствует. Симистор закрывается в конце каждого полупериода, когда текущий через него и нагрузку ток становится меньше свойственного ему тока удержания.
При работе на нагрузку с индуктивной компонентой импеданса (электродвигатель или трансформатор) ток через симистор не прекращается в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Он продолжает течь ещё некоторое время за счёт энергии, накопленной в индуктивности нагрузки (рис. 2).
Изображённая здесь осциллограмма тока соответствует параллельному соединению активного сопротивления и индуктивности нагрузки. Основное отличие при их последовательном соединении состоит в том, что тогда ток не возрастает скачком в момент открывания симистора, а нарастает плавно со скоростью, определяемой отношением этих компонентов. Это может нарушить работу регулятора, если за время действия открывающего симистор импульса ток не успевает стать больше тока удержания.
Но наиболее опасна для индуктивной нагрузки симисторного регулятора его работа при слишком малой задержке импульса управления. В этом случае (рис. 3) симистор к приходу очередного импульса не успевает закрыться и поэтому, закрывшись уже после его окончания, остаётся в этом состоянии до следующего импульса. Регулятор переходит в аварийный «однополупериодный» режим работы с большой постоянной составляющей тока нагрузки. Чтобы предотвратить это явление, необходимо увеличивать длительность импульса управления до значения, гарантирующего открывание симистора в текущем полупериоде.
Схема предлагаемого регулятора показана на рис. 4. Узел его питания, ставший уже стандартным для подобных устройств [1], состоит из резистора R1, конденсаторов С1-С3, диодов VD1, VD2 и стабилитрона VD3. На резисторах R2-R5 и логических элементах DD1.1, DD1.2 реализован узел синхронизации с сетевым напряжением, схема которого взята из [2] с некоторыми модификациями. Элемент DD1.1 в моменты перехода мгновенного значения сетевого напряжения через ноль формирует на своём выходе короткие синхроимпульсы высокого уровня, элемент DD1.2 служит их повторителем.
Необходимую задержку открывания симистора VS1 относительно импульса синхронизации обеспечивает одновибратор [3] на логических элементах DD2.1 и DD2.2. Он запускается в момент окончания импульса положительной полярности, формируемого из синхроимпульса дифференцирующей цепью C4R7. По истечении выдержки, продолжительность которой определяется цепью R6R8C5, высокий уровень на выходе элемента DD2.1 сменяется низким. Для подготовки одновибратора к генерации следующего импульса конденсатор С5 разряжается через диод VD4.
Узел контроля состояния симистора, состоящий из резисторов R9-R12 и элементов DD1.3, DD1.4, аналогичен узлу синхронизации с сетевым напряжением. На выходе элемента DD1.4 низкий уровень присутствует только при ненулевом напряжении на симисторе — это означает, что он закрыт.
При условии, что импульс синхронизации с сетью закончился, формируемая одновибратором задержка истекла, а симистор закрылся, на выходе элемента DD2.3 будет установлен высокий уровень. Через открывшийся транзистор VT3 в цепи управляющего электрода симистора VS1 потечёт ток. Он прекратится, когда в результате открывания симистора указанное условие будет нарушено.
Узел контроля состояния симистора, состоящий из резисторов R9-R12 и элементов DD1.3, DD1.4, аналогичен узлу синхронизации с сетевым напряжением. На выходе элемента DD1.4 низкий уровень присутствует только при ненулевом напряжении на симисторе — это означает, что он закрыт.
При условии, что импульс синхронизации с сетью закончился, формируемая одновибратором задержка истекла, а симистор закрылся, на выходе элемента DD2.3 будет установлен высокий уровень. Через открывшийся транзистор VT3 в цепи управляющего электрода симистора VS1 потечёт ток. Он прекратится, когда в результате открывания симистора указанное условие будет нарушено. Поэтому открывающий импульс всегда имеет длительность, необходимую и достаточную для правильной работы устройства.
Микросхемы К561ЛП2 и К561ЛЕ10 могут быть заменены аналогичными из серии 564 или импортными из серий 4000. При необходимости элементы DD1.2 и DD1.4 без ущерба для работоспособности регулятора можно исключить из схемы и использовать в других целях. Если применены микросхемы серии 164 или К176, вместо стабилитрона Д814Г желательно установить Д814Б, Д814В или другой с напряжением стабилизации около 9 В.
Диоды КД509А допускается заменять любыми маломощными кремниевыми. Такую же замену можно попробовать и для диода Д9Б в случае отсутствия другого германиевого. Вместо КТ315А подойдёт любой кремниевый транзистор структуры n-p-n малой или средней мощности с коэффициентом передачи тока не менее 50. Симистор VS1 должен быть установлен на тепло-отвод, площадь которого зависит от максимального тока нагрузки.
Правильно собранный регулятор налаживания не требует. Возможно, для получения нужных пределов регулирования потребуется подобрать номиналы резисторов R6 и R8. При монтаже и эксплуатации устройства следует помнить, что все его элементы находятся под сетевым напряжением.
Литература
1. Бирюков С. Симисторные регуляторы мощности. — Радио, 1996, № 1, с. 43-46.
2. Абрамский А. Симисторный регулятор с обратными связями. — Радио, 2002, № 4, с. 24, 25.
3. Самойленко А. Управляемый одновибратор. — Радио, 1999, № 5, с. 38, 39.
Автор: А. Староверов, г. Вологда