Фазоимпульсный регулятор мощности схема. Принцип работы симисторных регуляторов мощности

Зачастую востребованной является схема управления мощностью с минимальным интервалом отсутствия подачи напряжения. Примерами таких ситуаций может быть управление группами ламп накаливания, особо чувствительных к колебаниям в сети нагревателей, сварочным оборудованием, электроприводом, мощными электромагнитами с трехфазным питанием. В данном случае, ценой искажения синусоидального напряжения, добиваются минимальных интервалов паузы.

Для примера можно обратиться на , где автор темы применил схему импульсно-фазового управления трехфазным трансформатором для реализации сварочного процесса. Автор этой темы дал ссылку на журнал Радио, где исходная схема была опубликована ещё в далеком 1986 году №8. В настоящей статье делается попытка более простой, на мой взгляд, реализации этого метода импульсно-фазового управления, что, в немалой степени, достигается применением оптосимисторов вместо импульсных трансформаторов при совместном управлении трехфазным напряжением. Эта схема была применена для управления питанием выпрямителя типа ВАКР регулирования тока гальванического процесса. ВАКР представляет собой мощный трехфазный трансформатор, к вторичной обмотке которого (~24В), подключен выпрямитель на ток 1000 и более ампер. Выпрямитель состоял из тиристоров таблеточного типа с возможностью переполюсовки, т.е. смены полярности выпрямляемого напряжения, что необходимо для реализации требуемого гальванического процесса. Регулирование выполнялось по вторичной сети силового трансформатора и, для формирования требуемых сигналов управления силовыми тиристорами, применялись симисторы меньшей, промежуточной мощности (обозначены на схеме как V1, V2 и V3). Способ переполюсовки оставим, как говориться, «за кадром», концентрируя внимание на принципе работы самой схемы импульсно-фазового управления, поскольку, именно эта ее часть является универсальной и применимой в различных областях, выше указанных.

Единое для всех фаз управление задается частотой генератора на DD1.1 , которая находится в пределах 10000 – 2000 Гц. Частота генератора поступает на три счетчика импульсов DD2, DD3, DD4 с коэффициентом пересчета 16 . Поскольку сброс каждого счетчика осуществляется синхроимпульсом «своей» фазы, формируемая счетчиками паузы оказываются синхронизированы с соответствующими переходами фазных напряжений через ноль. При появлении старшего разряда счетчика имеем импульс управления симистором соответствующей фазы, очевидно, длительностью, которая зависит от частоты задающего генератора DD1 . После заполнения всех разрядов происходит переполнение счетчика и процесс циклически повторяется (до прихода «сбросового» импульса синхронизации). Таким образом, каждый счетчик является своеобразным задатчиком паузы от перехода напряжения через ноль до подачи импульса управления. Для формирования импульсов перехода через ноль применены трансформаторы Т1-Т3, на одном из которых формируется напряжение питания схемы. Эти трансформаторы, одним полюсом, естественно, подключаются к первичному напряжению соответствующей фазы и могут быть заменены на общий трансформатор трехфазного исполнения. Если управление предполагается осуществлять силовыми тиристорами (симисторами) по вторичной стороне, то для формирования синхроимпульсов вполне подойдет напряжение силового трансформатора. И, напротив, при управлении на первичных напряжениях можно обойтись и без трансформаторов, реализуя варианты формирования синхроимпульсов описанных в [ 1 ] , с помощью резисторов с стабилитроном и диодами и такая схема формирования синхроимпульсов будет даже предпочтительнее, поскольку получаемые с ее помощью синхроимпульсы будут более четко выраженными и короткими по времени.

Несмотря на тот факт, что схема рис 1 формирует повторяющиеся импульсы управления (при высоких частотах генератора D1) с длительностью, которая увеличивается с уменьшением частоты задающего генератора D1, этих свойств схемы может оказаться недостаточно для управления нагрузкой с значительной индуктивной составляющей (трансформатор, электромагнит, электродвигатель, (гальванический раствор- чисто активная нагрузка)). В этом случае большей универсальностью может обладать схема, представленная на рис 2. Здесь, после прихода первого управляющего импульса со счетчика происходит его фиксация с помощью соответствующего RS триггера до конца текущего полупериода. Сброс триггеров, очевидно, будет происходить по приходу нулевого напряжения соответствующей фазы.

Рис. 2

Рассмотрим, наконец, как с помощью описанного регулятора можно реализовать устройство плавного пуска асинхронного электродвигателя. Устройства плавного пуска УПП являются одними из наиболее востребованных в приводной технике. От них зависит долговечность работы, связанных с электроприводом механических систем. Часто вместо УПП устанавливают частотный привод, что не всегда оказывается экономически оправдано. Чтобы превратить наш регулятор (рис 1) в УПП, следует обратить внимание на генератор DD1.1/ В литературе [ 2] приведены схемы использования полевых транзисторов для регулирования частоты генераторов, выполненных на логических микросхемах. Если следовать данным рекомендациям, то в качестве управляющего сигнала, для частоты УПП можно использовать факт подачи напряжения питания на регулятор и, соответственно, сформировать плавное изменение частоты этого генератора от минимальной частоты до максимальной в течение желаемого промежутка времени.

Рис. 3

На Рис 3 отдельно показан генератор с возможностью плавного увеличения частоты генерации от момента подачи питания. Напряжение на конденсаторе с2 растет по закону экспоненты по времени, которое зависит от параметров резистора R3 и конденсатора С2. После выключения устройства конденсатор С2 быстро разряжается через диод VD, подготавливая схему к повторному включению. При необходимости не экспоненциального, а, к примеру, линейного закона изменения частоты генератора заряд емкости С2 осуществляют через генератор тока. Практически любая желаемая траектория изменения частоты реализуется на базе микроконтроллеров, с формированием аналогового сигнала либо с помощью скоростного ШИМ, либо, - с помощью отдельного интегрального ЦАП.

В заключение отметим несколько «подводных камней» о которых следует не забывать, имея дело с трехфазными регуляторами мощности с импульсно-фазовым управлением.

1. Силовые приборы симисторы и тиристоры, применяемые в схемотехнике таких регуляторов работают в более жестких условиях эксплуатации, а следовательно должны выбираться с некоторым запасом относительно максимально допустимых параметров тока и напряжения.
2. Трехфазные регуляторы мощности с импульсно-фазовым управлением при работы могут «кошмарить» питающую сеть высокочастотными помехами. Для защиты от таких помех иногда помогают дроссельные реакторы или сетевые фильтры, которые следует устанавливать пофазно до подключения к регулятору.
3. Для УПП наиболее хитрые разработчики устанавливают специальные компактные реле, которые включаются после окончания собственно плавного пуска мотора с целью экономии на мощности силовых полупроводниковых приборов, а, следовательно, и величины радиаторов для них. Эти реле своими контактами просто шунтируют эти силовые полупроводниковые приборы. Возможно, что и в процессе выключения УПП, для увеличения долговечности контактов такого реле, силовые симисторы сначала «подхватывают» задачу коммутации и, после размыкания контактов реле, – уже окончательно разрывают силовую цепь.

Литература:

1. Шелестов И.П.,Радиолюбителям - полезные схемы - книга 4. . 2001.

Список радиоэлементов

Каждая имеет свои преимущества и недостатки. Рассматриваемая сегодня выбрана мной не случайно. Итак, попал ко мне советский электрокамин. На верхней крышке имелось отверстие под ручку встроенного регулятора мощности, которого там не оказалось. По счастливой случайности мне через некоторое время попался рабочий экземпляр такого же камина. В качестве регулятора там оказалась на первый взгляд довольно сложная схема на двух тиристорах и множеством очень мощных резисторов. Её повторение не имело смысла, хотя у меня и есть доступ к практически любым советским радиодеталям, так как это обошлось бы в разы дороже, чем тот вариант, который изготовлен сейчас. Для начала камин был подключён к сети напрямую, ток потребления оказался 5,6 А, что соответствует паспортной мощности камина 1,25 кВт. Но зачем тратить столько энергии, тем более что она не дешёвая, и не всегда нужно включать обогреватель на полную мощность. Поэтому было принято решение приступить к поискам мощного регулятора мощности. У себя в закромах нашёл уже готовую схему от китайского пылесоса, на симисторе ВТА. Этот регулятор являлся фазовым, т.е. такой тип регуляторов пропускает не всю полуволну сетевого синусоидального напряжения, а только её часть, тем самым ограничивая мощность, подводимую к нагрузке. Регулировка осуществляется открытием симистора при нужном фазовом угле.

Преимущества фазового регулятора:

• простота изготовления
• дешевизна
• лёгкая управляемость

Недостатки:

• при простой схеме нормальная работа наблюдается только с нагрузками типа ламп накаливания
• при мощной активной нагрузке появляется неприятный гул (дребезг), который может возникать как в самом симисторе, так и на нагрузке (нагревательная спираль)
• создаёт множество радиопомех

Было принято решение использовать другой тип регулятора - дискретный. Такие регуляторы открывают симистор на период целой полуволны напряжения, но количество пропущенных полуволн ограничивается. Например, на рисунке сплошная часть графика - прошедшие сквозь симистор полуволны, пунктиром - не прошедшие, то есть в это время симистор был закрыт.

Преимущества дискретных регуляторов:

• меньший нагрев симистора
• отсутствие звуковых эффектов даже при достаточно мощной нагрузке
• отсутствие радиопомех
• отсутствие загрязнения электросети

Принципиальная схема ступенчатого регулятора мощности

При первом включении на индикаторе светится 0. Включение и отключение происходит одновременным нажатием и удержанием двух кнопок. Регулировка больше/меньше - каждой кнопкой по отдельности. Если не нажимать ни одну из кнопок, то после последнего нажатия через 2 часа регулятор отключится сам, индикатор будет моргать на ступени последнего рабочего уровня нагрузки. При отключении от сети запоминается последний уровень, который будет установлен при следующем включении. Регулировка происходит от 0 до 9 и далее от А до F. То есть всего 16 ступеней регулировки.

При изготовлении платы первый раз применил ЛУТ, и не правильно отзеркалил при распечатке, поэтому контроллер перевёрнут вверх-ногами:) Индикатор тоже не совпал, поэтому припаял его проводками. Когда рисовал плату, по ошибке разместил стабилитрон после диода, пришлось его впаять на другой стороне платы.

На рисунке указан симистор ВТ136, но и ВТА12 прекрасно работает с указанными номиналами деталей. Радиатор возможно великоват, можно было поставить и по меньше, но другого у меня не оказалось.
При первом включении у меня на индикаторе моргал 0, на нажатие кнопок не было реакции. Проблема решилась установкой конденсатора по питанию на 1000 мкФ, вместо 220. В течении месяца использования никаких проблем в работе не выявлено. Схема, прошивка, печатная плата в архиве .

Фазоимпульсными регуляторами (ФИР) называются устройства, позволяющие регулировать яркость ламп (диммеры), мощность электрических нагревателей, скорость вращения электроинструмента и т.п. ФИР содержит в своём составе электронный ключ, который включен между питающей сетью и нагрузкой. В течении некоторой части периода сетевого напряжения этот ключ замкнут, а затем он размыкается. Увеличивая или уменьшая время, в течении которого ключ находится в замкнутом состоянии, можно увеличивать или уменьшать мощность, выделяющуюся в нагрузке. Обычно в качестве ключа используется тиристор. Рассмотрим структурную схему тиристорного ФИР, представленную на рис. 1. Соответствующие временные диаграммы представлены на рис. 2.

Селектор нуля срабатывает, когда сетевое напряжение проходит через ноль. Цепь задержки через интервал времени Тз, регулируемый в пределах от нуля до 10 мс, запускает формирователь импульсов, открывающих тиристор. Далее тиристор остаётся открытым до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока удержания, т.е. почти до конца полупериода.

На временной диаграмме Uc - выпрямленное сетевое напряжение. Uн - напряжение на нагрузке. Зелёным цветом выделены моменты времени, когда тиристорный ключ замкнут.

При малых и средних Тз тиристорный ФИР работает вполне удовлетворительно, но при больших Тз, близких к длительности полупериода сетевого напряжения, что соответствует питанию нагрузки короткими импульсами малой амплитуды, возникают проблемы, связанные с тем, что не все виды нагрузки могут нормально работать при таком питании. Например лампы накаливания начинают заметно мерцать. Кроме того при больших Тз нестабильность работы цепи регулируемой задержки вызывает существенные изменения длительности выходных импульсов. В самом деле - если Тз, например в результате нагрева элементов схемы, возрастёт с 9 до 9.5 мс, т.е. примерно на 5%, то длительность импульсов на нагрузке сократится от 1 мс до 0.5 мс, т.е. вдвое. Если Тз превысит 10 мс, то тиристор будет открываться в самом начале полупериода, что соответствует максимальной мощности. Это может привести к повреждению нагрузки, если она не рассчитана на полное сетевое напряжение.

Ещё одним недостатком тиристорных ФИР являются помехи, которые возникают при замыкании ключа и, в меньшей степени, при размыкании (имеется в виду работа ФИР на активную нагрузку).

Реальные тиристорные ФИР обычно делаются на симметричном тиристоре (симисторе), по этому выпрямитель не требуется, но рассмотренные недостатки им также присущи.

Если в качестве ключа использовать не тиристор, а мощный высоковольтный MOSFET транзистор, то можно существенно уменьшить проблемы, возникающие при необходимости питать нагрузку низким напряжением.

Структурная схема ФИР с ключом на полевом транзисторе представлена на рис. 3. Временные диаграммы представлены на рис. 4.

Компаратор сравнивает регулируемое напряжение Uоп, формируемое источником опорного напряжения, с выпрямленным сетевым напряжением. Если сетевое напряжение меньше опорного, то полевой транзистор открыт, нагрузка подключена к сети. В противном случае компаратор размыкает ключ - ток через нагрузку отсутствует. Очевидно, что как на восходящей так и на нисходящей ветвях синусоиды будут участки, когда транзисторный ключ замкнут, что и отражено на временной диаграмме. Это позволяет передать в нагрузку требуемую мощность за большее время, чем в случае тиристорного ФИР, и, соответственно, уменьшить пиковые напряжения и токи нагрузки.

Схема электрическая принципиальная транзисторного ФИР представлена на рис. 5.

Источник регулируемого опорного напряжения собран на элементах R1, C1, VD2 и R4. Напряжение +12В со стабилитрона VD2 также используется для питания микросхемы DA1.1. Конденсатор С2 уменьшает шумы, возникающие при вращении оси переменного резистора R4. Операционный усилитель DA1.1, используемый в качестве компаратора, сравнивает опорное напряжение с сетевым, поступающим на инверсный вход с делителя на резисторах R2, R3. Полевой транзистор VT1 представляет собой силовой ключ, управляемый сигналом с выхода компаратора. Резистор R8 разгружает выход усилителя DA1.1 от ёмкости затвор-исток полевого транзистора, кроме того благодаря этому резистору переключение VT1 несколько замедляется, что способствует снижению помех.

Первый вариант транзисторного ФИР содержал только эти элементы. Он был собран на макетной плате и оказался вполне работоспособен, но форма напряжения на нагрузке существенно отличалась от желаемой. Соответствующая осциллограмма приведена на рис. 6.

Левый пик на осциллограмме, соответствующий нисходящей ветви синусоиды, существенно ниже правого пика, соответствующего восходящей ветви. Так получается из-за задержки, вносимой компаратором и ключом. Применение более быстрого операционного усилителя и уменьшение резистора R8 позволяет улучшить ситуацию, но до конца проблему не устраняет, кроме того автору очень хотелось остаться в рамках недорогих и доступных комплектующих.

Устранить указанный недостаток позволяет введение в схему второго компаратора DA1.2. Благодаря цепи задержки на элементах VD3, R9, R10 и С3 DA1.2 срабатывает вслед за DA1.1 с задержкой около 100 микросекунд. Этой задержки вполне достаточно, чтобы к моменту срабатывания DA1.2 переходные процессы, связанные с переключением DA1.1 успевали закончиться. Напряжение с выхода DA1.2 через резистор R7 суммируется с сигналом, снимаемым с делителя R2,R3. Благодаря этому как на нисходящей, так и на восходящей ветвях синусоиды компаратор DA1.1 срабатывает чуть раньше - задержка компенсируется, длительности и амплитуды обеих пиков выравниваются. Осциллограмма для этого случая представлена на рис. 7.

Если ФИР настроен так, что срабатывание DA1.1 происходит вблизи вершины синусоиды (большая мощность на нагрузке), то вышеописанная задержка не сказывается на работе устройства. Это связано с тем, что вблизи вершины синусоиды скорость изменения сетевого напряжения замедляется и за время задержки значимого изменения напряжения не происходит. С другой стороны выяснилось, что эта же причина - медленное изменение сетевого напряжения вблизи вершины синусоиды - приводит к возникновению автоколебаний в цепочке из двух компараторов DA1.1 и DA1.2, охваченных обратной связью. Устранить автоколебания позволяет цепочка VD3, R9. Благодаря ей конденсатор С3 заряжается существенно быстрее, чем разряжается. Если импульсы на выходе DA1.1 достаточно широкие, что соответствует большой амплитуде импульсов на нагрузке ФИР, то C3 не успевает разряжаться - на нём появляется постоянное напряжение, превышающее напряжение на инверсном входе DA1.2. Компаратор DA1.2 перестаёт переключаться и автоколебания не возникают. Номиналы резисторов R5, R6, R9 и R10 подобраны так, что блокировка DA1.2 наступает при амплитуде импульсов на нагрузке ФИР около 150 В.

Монтаж устройства был выполнен на макетной плате, фотография которой не приводится, т.к. кроме описанного ФИР на ней было собрано ещё одно устройство, не имеющее отношения к данной разработке. Нагрузкой ФИР служит нагреватель мощностью около 100 ВА с рабочим напряжением 70В. Полевой транзистор размещён на радиаторе в виде пластины площадью 10 квадратных сантиметров. В процессе работы он почти не нагревается - видимо радиатор можно уменьшить или вовсе отказаться от него.

При отладке и последующей эксплуатации устройства следует соблюдать осторожность т.к. его элементы имеют контакт с электрической сетью.

Наладка устройства сводится к подбору резистора R7. ФИР следует подключить к сети 220В (через разделительный трансформатор!). В качестве нагрузки можно использовать лампу накаливания на 220В мощностью около 100 ВА, паяльник и т.п. Параллельно нагрузке следует включить вход осциллографа. С помощью резистора R4 нужно выставить амплитуду импульсов на нагрузке около 50 В. Резистор R7 следует подобрать таким образом, чтобы амплитуда импульсов на восходящей и нисходящей ветвях синусоиды были равны. При отклонении выходного напряжения от 50В равенство амплитуд импульсов не должно существенно нарушаться. У автора при выходном напряжении 20В амплитуды импульсов отличались на 2В, при 30В - на 1В, при 100В - на 1В.

В заключении укажем на особенности данного ФИР, определяющие возможную область применения. Его рекомендуется использовать для питания низковольтных устройств, которые по той или иной причине необходимо запитать от сети 220В. Стабилизация амплитуды импульсов на выходе транзисторного ФИР очень этому способствует.

Автор успешно использовал в качестве нагрузки паяльник мощностью 30ВА, рассчитанный на напряжение 27В, а также лампочку 6В 0.6ВА. Лампочка горела без мерцания, её яркость плавно регулировалась от нуля до видимого перекала. Средневолновый радиоприёмник, находящийся рядом с данным устройством, не реагировал на его включение. Из этого можно сделать вывод о небольшом уровне высокочастотных помех.

При питании от ФИР лампы накаливания на напряжение 220В выяснилось, что при небольших уровнях диммирования (почти максимальная яркость) имеют место самопроизвольные и весьма заметные изменения яркости. Анализ этого явления показал, что причиной является существенное отличие формы сетевого напряжения от синусоиды. Если порог срабатывания компаратора попадает на достаточно протяжённую плоскую вершину, которая имеется у реального сетевого напряжения, то даже небольшие изменения величины напряжения в сети будут вызывать значительные колебания длительности импульсов, вырабатываемых компаратором. Это и вызывает изменение яркости лампы.

При разработке и испытаниях данного устройства предполагалось, что нагрузка может быть только активной (резистор, нагреватель, лампа накаливания). Возможность использования транзисторного ФИР с реактивной нагрузкой, а также для зарядки каких-либо аккумуляторов, регулирования оборотов электродвигателей и т.п. не рассматривалась и не проверялась.

Тиристорные регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 - 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.

И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.

Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.

И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.

Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.

Рисунок 1. Тиристор

Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на . Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.

Рисунок 2.

Как включить светодиод

Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.

Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.

Нажали - отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.

Маленькое замечание

Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.

Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.

Как закрыть тиристор

Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод - катод.

Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.

Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего - лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.

Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.

Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.

Третий способ выключения тиристора

Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.

При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.

Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование

Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Фазовое регулирование

В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).

Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.

На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.

На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.

Схемы включения тиристоров

После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности . Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов . При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.

Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.

Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно - параллельное включение тиристоров, или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.

Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.

Простейший тиристорный регулятор

Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.

Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности

Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.

Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.

К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.

Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.

Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности

Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.

Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.

Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.

Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.

На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.

Рисунок 6.

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: