Схема регулятор напряжения на тиристоре: Простой регулятор напряжения на тиристоре

Содержание

Схема тиристорного регулятора больших выпрямленных токов

Испытанная временем схема регулирования тока мощных потребителей отличается простотой в наладке, надежностью в эксплуатации и широкими потребительскими возможностями. Она хорошо подходит для управления режимом сварки, для пуско-зарядных устройств и для мощных узлов автоматики.

Принципиальная схема

При питании мощных нагрузок постоянным током часто применяется схема (рис.1) выпрямителя на четырех силовых вентилях. Переменное напряжение подводится к одной диагонали «моста», выходное постоянное (пульсирующее) напряжение снимается с другой диагонали. В каждом полупериоде работает одна пара диодов (VD1-VD4 или VD2-VD3).

Это свойство выпрямительного «моста» существенно: суммарная величина выпрямленного тока может достигать удвоенной величины предельного тока для каждого диода. Предельное напряжение диода не должно быть ниже амплитудного входного напряжения.

Поскольку класс напряжения силовых вентилей доходит до четырнадцатого (1400 В), с этим для бытовой электросети проблем нет. Существующий запас по обратному напряжению позволяет использовать вентили с некоторым перегревом, с малыми радиаторами (не злоупотреблять!).

Рис. 1. Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях.

Внимание! Силовые диоды с маркировкой «В» проводят ток, «подобно» диодам Д226 (от гибкого вывода к корпусу), диоды с маркировкой «ВЛ» — от корпуса к гибкому выводу.

Использование вентилей различной проводимости позволяет выполнить монтаж всего на двух двойных радиаторах. Если же с корпусом устройства соединить «корпуса» вентилей «ВЛ» (выход «минус»), то останется изолировать всего один радиатор, на котором установлены диоды с маркировкой «В». Такая схема проста в монтаже и «наладке», но возникают трудности, если приходится регулировать ток нагрузки.

Если со сварочным процессом все понятно (присоединять «балласт»), то с пусковым устройством возникают огромные проблемы. После пуска двигателя огромный ток не нужен и вреден, поэтому необходимо его быстро отключить, так как каждое промедление укорачивает срок службы батареи (нередко батареи взрываются!).

Очень удобна для практического исполнения схема, показанная на рис.2, в которой функции регулирования тока выполняют тиристоры VS1, VS2, в этот же выпрямительный мост включены силовые вентили VD1, VD2. Монтаж облегчается тем, что каждая пара «диод-тиристор» крепится на своем радиаторе. Радиаторы можно применить стандартные (промышленного изготовления).

Другой путь — самостоятельное изготовление радиаторов из меди, алюминия толщиной свыше 10 мм. Для подбора размеров радиаторов необходимо собрать макет устройства и «погонять» его в тяжелом режиме. Неплохо, если после 15-минутной нагрузки корпуса тиристоров и диодов не будут «обжигать» руку (напряжение в этот момент отключить!).

Корпус устройства необходимо выполнить так, чтобы обеспечивалась хорошая циркуляция нагретого устройством воздуха. Не помешает установка вентилятора, который «помогает» прогонять воздух снизу вверх. Удобны вентиляторы, устанавливаемые в стойках с компьютерными платами либо в «советских» игровых автоматах.

Рис. 2. Схема регулятора тока на тиристорах.

Возможно выполнение схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах (рис.3). Нижняя (по схеме) пара тиристоров VS3, VS4 запускается импульсами от блока управления.

Импульсы приходят одновременно на управляющие электроды обоих тиристоров. Такое построение схемы «диссонирует» с принципами надежности, но время подтвердило работоспособность схемы («сжечь» тиристоры бытовая электросеть не может, поскольку они выдерживают импульсный ток 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включен как диод — при положительном напряжении на аноде тиристора через диод VD1 (или VD2) и резистор R1 (или R2) на управляющий электрод тиристора будет подан отпирающий ток. Уже при напряжении в несколько вольт тиристор откроется и до окончания полуволны тока будет проводить ток.

Второй тиристор, на аноде которого было отрицательное напряжение, не будет запускаться (это и не нужно). На тиристоры VS3 и VS4 из схемы управления приходит импульс тока. Величина среднего тока в нагрузке зависит от моментов открывания тиристоров — чем раньше приходит открывающий импульс, тем большую часть периода соответствующий тиристор будет открыт.

Рис. 3. Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах.

Открывание тиристоров VS1, VS2 через резисторы несколько «притупляет» схему: при низких входных напряжениях угол открытого состояния тиристоров оказывается малым — в нагрузку проходит заметно меньший ток, чем в схеме с диодами (рис.2).

Таким образом, данная схема вполне пригодна для регулировки сварочного тока по «вторичке» и выпрямления сетевого напряжения, где потеря нескольких вольт несущественна.

Эффективно использовать тиристорный мост для регулирования тока в широком диапазоне питающих напряжений позволяет схема, показанная на рис.4,

Устройство состоит из трех блоков:

  1. силового;

  2. схемы фазоимпульсного регулирования;

  3. двухпредельного вольтметра.

Трансформатор Т1 мощностью 20 Вт обеспечивает питание блока управления тиристорами VS3 и VS4 и открывание «диодов» VS1 и VS2. Открывание тиристоров внешним блоком питания эффективно при низком (автомобильном) напряжении в силовой цепи, а также при питании индуктивной нагрузки.

Рис. 4. Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне.

Рис. 5. Принципиальная схема блока управления тиристорами.

Открывающие импульсы тока с 5-вольтовых обмоток трансформатора подводятся в противофазе к управляющим электродам VS1, VS2. Диоды VD1, VD2 пропускают к управляющим электродам только положительные полуволны тока.

Если фазировка открывающих импульсов «подходит», то тиристорный выпрямительный мост будет работать, иначе тока в нагрузке не будет.

Этот недостаток схемы легко устраним: достаточно повернуть наоборот сетевую вилку питания Т1 (и пометить краской, как нужно подключать вилки и клеммы устройств в сеть переменного тока). При использовании схемы в пуско-зарядном устройстве заметно увеличение отдаваемого тока по сравнению со схемой рис.3.

Очень выгодно наличие слаботочной цепи (сетевого трансформатора Т1). Разрывание тока выключателем S1 полностью обесточивает нагрузку. Таким образом, прервать пусковой ток можно маленьким концевым выключателем, автоматическим выключателем или слаботочным реле (добавив узел автоматического отключения).

Это очень существенный момент, поскольку разрывать сильноточные цепи, требующие для прохождения тока хорошего контакта, намного труднее. Мы не случайно вспомнили о фазировке трансформатора Т1. Если бы регулятор тока был «встроен» в зарядно-пусковое устройство или в схему сварочного аппарата, то проблема фазировки была бы решена в момент наладки основного устройства.

Наше устройство специально выполнено широкопрофильным (как пользование пусковым устройством определяется сезоном года, так и сварочные работы приходится вести нерегулярно). Приходится управлять режимом работы мощной электродрели и питать нихромовые обогреватели.

На рис.5 показана схема блока управления тиристорами. Выпрямительный мостик VD1 подает в схему пульсирующее напряжение от 0 до 20 В. Это напряжение через диод VD2 подводится к конденсатору С1, обеспечивается постоянное напряжение питания мощного транзисторного «ключа» на VT2, VT3.

Пульсирующее напряжение через резистор R1 подводится к параллельно соединенным резистору R2 и стабилитрону VD6. Резистор «привязывает» потенциал точки «А» (рис.6) к нулевому, а стабилитрон ограничивает вершины импульсов на уровне порога стабилизации. Ограниченные импульсы напряжения заряжают конденсатор С2 для питания микросхемы DD1.

Эти же импульсы напряжения воздействуют на вход логического элемента. При некотором пороге напряжения логический элемент переключается. С учетом инвертирования сигнала на выходе логического элемента (точка «В») импульсы напряжения будут кратковременными -около момента нулевого входного напряжения.

Рис. 6. Диаграмма импульсов.

Следующий элемент логики инвертирует напряжение «В», поэтому импульсы напряжения «С» имеют значительно большую длительность. Пока действует импульс напряжения «С», через резисторы R3 и R4 происходит заряд конденсатора C3.

Экспоненциально нарастающее напряжение в точке «Е», в момент перехода через логический порог, «переключает» логический элемент. После инвертирования вторым логическим элементом высокому входному напряжению точки «Е» соответствует высокое логическое напряжение в точке «F».

Двум различным величинам сопротивления R4 соответствуют две осциллограммы в точке «Е»:

  • меньшее сопротивление R4 — большая крутизна — Е1;

  • большее сопротивление R4 — меньшая крутизна — Е2.

Следует обратить внимание также на питание базы транзистора VT1 сигналом «В», во время снижения входного напряжения до нуля транзистор VT1 открывается до насыщения, коллекторный переход транзистора разряжает конденсатор С3 (происходит подготовка к зарядке в следующем полупериоде напряжения). Таким образом, логический высокий уровень появляется в точке «F» раньше или позже, в зависимости от сопротивления R4:

  • меньшее сопротивление R4 — раньше появляется импульс — F1;

  • большее сопротивление R4 — позже появляется импульс — F2.

Усилитель на транзисторах VT2 и VT3 «повторяет» логические сигналы -точка «G». Осциллограммы в этой точке повторяют F1 и F2, но величина напряжения достигает 20 В.

Через разделительные диоды VD4, VD5 и ограничительные резисторы R9 R10 импульсы тока воздействуют на управляющие электроды тиристоров VS3 VS4 (рис.4). Один из тиристоров открывается, и на выход блока проходит импульс выпрямленного напряжения.

Меньшему значению сопротивления R4 соответствует большая часть полупериода синусоиды — h2, большему — меньшая часть полупериода синусоиды — h3 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Рис. 7. Схема автоматического двухпредельного вольтметра.

Таким образом, различным величинам сопротивления R4 соответствует различная длительность «отрезков» синусоидального напряжения на нагрузке. Выходную мощность можно регулировать практически от 0 до 100%. Стабильность работы устройства определяется применением «логики» — пороги переключения элементов стабильны.

Конструкция и налаживание

Если ошибок в монтаже нет, то устройство работает стабильно. При замене конденсатора С3 потребуется подбор резисторов R3 и R4. Замена тиристоров в силовом блоке может потребовать подбора R9, R10 (бывает, даже силовые тиристоры одного типа резко отличаются по токам включения — приходится менее чувствительный отбраковывать).

Измерять напряжение на нагрузке можно каждый раз «подходящим» вольтметром. Исходя из мобильности и универсальности блока регулирования, мы применили автоматический двухпредельный вольтметр (рис.7).

Измерение напряжения до 30 В производится головкой PV1 типа М269 с добавочным сопротивлением R2 (регулируется отклонение на всю шкалу при 30 В входного напряжения). Конденсатор С1 необходим для сглаживания напряжения, подводимого к вольтметру.

Для «загрубления» шкалы в 10 раз служит остальная часть схемы. Через лампу накаливания (бареттер) HL3 и подстроечный резистор R3 запитывается лампа накаливания оптопары U1, стабилитрон VD1 защищает вход оптрона.

Большое входное напряжение приводит к снижению сопротивления резистора оптопары от мегаом до ки-лоом, транзистор VT1 открывается, реле К1 срабатывает. Контакты реле при этом выполняют две функции:

  • размыкают подстроечное сопротивление R1 — схема вольтметра переключается на высоковольтный предел;

  • вместо зеленого светодиода HL2 включается красный светодиод HL1.

Красный, более заметный, цвет специально выбран для шкалы больших напряжений.

Внимание! Подстройка R1(шкала 0…300) производится после подстройки R2.

Питание к схеме вольтметра взято из блока управления тиристорами. Развязка от измеряемого напряжения осуществлена с помощью оптрона. Порог переключения оптрона можно установить немного выше 30 В, что облегчит подстройку шкал.

Диод VD2 необходим для защиты транзистора от всплесков напряжения в момент обесточивания реле. Автоматическое переключение шкал вольтметра оправдано при использовании блока для питания различных нагрузок. Нумерация выводов оптрона не дана: с помощью тестера нетрудно различить входные и выходные выводы.

Сопротивление лампы оптрона равно сотням ом, а фоторезистора — мегаом (в момент измерения лампа не запитана). На рис.8 показан вид устройства сверху (крышка снята). VS1 и VS2 установлены на общем радиаторе, VS3 и VS4 — на отдельных радиаторах.

Резьбу на радиаторах пришлось нарезать под тиристоры. Гибкие выводы силовых тиристоров обрезаны, монтаж осуществлен более тонким проводом.

Рис. 8. Вид устройства сверху.

На рис.9 показан вид на лицевую панель устройства. Слева расположена ручка регулирования тока нагрузки, справа — шкала вольтметра. Около шкалы закреплены светодиоды, верхний (красный) расположен около надписи «300 В».

Клеммы устройства не очень мощные, так как применяется оно для сварки тонких деталей, где очень важна точность поддержания режима. Время пуска двигателя небольшое, поэтому ресурса клеммных соединений хватает.

Рис. 9. Вид на лицевую панель устройства.

Верхняя крышка крепится к нижней с зазором в пару сантиметров для обеспечения лучшей циркуляции воздуха.

Устройство легко поддается модернизации. Так, для автоматизации режима запуска двигателя автомобиля не нужны дополнительные детали (рис.10).

Необходимо между точками «D» и «E» блока управления включить нормально замкнутую контактную группу реле К1 из схемы двухпредельного вольтметра. Если перестройкой R3 не удастся довести порог переключения вольтметра до 12…13 В, то придется заменить лампу HL3 более мощной (вместо 10 установить 15 Вт).

Пусковые устройства промышленного изготовления настраиваются на порог включения даже 9 В. Мы рекомендуем настраивать порог переключения устройства на более высокое напряжение, так как еще до включения стартера аккумулятор немного подпитывается током (до уровня переключения). Теперь пуск производится немного «подзаряженным» аккумулятором вместе с автоматическим пусковым устройством.

Рис. 10 . Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля.

По мере увеличения бортового напряжения автоматика «закрывает» подачу тока от пускового устройства, при повторных пусках в нужные моменты подпитка возобновляется. Имеющийся в устройстве регулятор тока (скважности выпрямленных импульсов) позволяет ограничить величину пускового тока.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпец. г. Ладыжин. Винницкая обл. Электрик-2004-08.

Тиристорный регулятор напряжения своими руками: конструктивные особенности

Из-за использования в повседневной жизни большого количества электрических приборов (микроволновок, электрочайников, компьютеров и т.д.) нередко возникает необходимость регулировки их мощностей. Для этого применяют регулятор напряжения на тиристоре. Оно имеет простую конструкцию, поэтому собрать его самостоятельно несложно.

Содержание

  1. Нюансы в конструкции
  2. Область применения и цели использования
  3. Принцип действия
  4. Способы закрывания тиристора
  5. Простой регулятор напряжения
  6. Способы регулирования фазового напряжения в сети
  7. Схемы на тиристорах

Нюансы в конструкции

Регулятор напряжения на тиристоре

Тиристор – это управляемый полупроводник. При необходимости он может очень быстро провести ток в нужном направлении. От привычных диодов устройство отличается тем, что имеет возможность контролировать момент подачи напряжения.

Регулятор состоит из трех компонентов:

  • катод – проводник, подключаемый к отрицательному полюсу источника питания;
  • анод – элемент, присоединяемый к положительному полюсу;
  • управляемый электрод (модулятор), который полностью охватывает катод.

Регулятор функционирует при соблюдении нескольких условий:

  • тиристор должен попадать в схему под общее напряжение;
  • модулятор должен получать кратковременный импульс, позволяющий устройству контролировать мощность электроприбора. В отличие от транзистора регулятору не требуется удержание этого сигнала.

Тиристор не применяется в схемах с постоянным током, поскольку он закрывается, если нет напряжения в цепи. В то же время в приборах с переменным током регистр необходим. Это связано с тем, что в подобных схемах имеется возможность полностью закрыть полупроводниковый элемент. С этим справится любая полуволна, если возникнет такая потребность.

Тиристор обладает двумя устойчивыми положениями («открыто» или «закрыто»), которые переключаются при помощи напряжения. При появлении нагрузки он включается, при пропадании электрического тока выключается. Собирать подобные регуляторы учат начинающих радиолюбителей. Заводские паяльники, имеющие регулировку температуры жала, стоят дорого. Гораздо дешевле купить простой паяльник и самому собрать для него регистр напряжения.

Существует несколько схем монтажа устройства. Самый несложный – это навесной тип. При его сборке не используют печатную плату. Не потребуется также специальные навыки при монтаже. Сам процесс занимает мало времени. Поняв принцип работы регистра, будет просто разобраться в схемах и рассчитать оптимальную мощность для идеальной работы оборудования, где тиристор установлен.

Область применения и цели использования

Применение тиристорного регулятора мощности

Используют тиристор во многих электроинструментах: строительных, столярных бытовых и прочих. Он играет в схемах роль ключа при коммутации токов, при этом работая от малых импульсов. Выключается только при нулевом уровне напряжении в цепи. К примеру, тиристор контролирует скорость работы ножей в блендере, регулирует быстроту нагнетания воздуха в фене, координирует мощность нагревательных элементов в приборах, а также выполняет другие не менее важные функции.

В схемах с высокоиндуктивной нагрузкой, где ток отстает от напряжения, тиристоры могут не закрываться полностью, что приведет к поломке оборудования. В строительных приборах (дрелях, шлифовальных машинах, болгарках и т.д.) тиристор переключается при нажатии кнопки, которая находится в общем с ним блоке. При этом происходят изменения в работе двигателя.

Тиристорный регулятор отлично работает в коллекторном двигателе, где есть щёточный узел. В асинхронных движках устройство менять обороты не сможет.

Принцип действия

Специфика работы прибора заключается в том, что напряжение в нем регулируется мощностью, в также электроперебоями в сети. Регулятор тока на тиристоре при этом пропускает его только в одном конкретном направлении. Если устройство не отключить, оно так и будет продолжать работать, пока его не выключат после определенных действий.

Изготавливая тиристорный регулятор напряжения своими руками, в конструкции следует предусмотреть достаточно свободного места для установки управляющей кнопки или рычага. При сборке по классической схеме имеет смысл использовать в конструкции специальный выключатель, который при изменении уровня напряжения светит разными цветами. Это обезопасит человека от возникновения неприятных ситуаций, поражений током.

Способы закрывания тиристора

Выключение тиристора путем изменения полярности напряжения между катодом и анодом

Подача импульса на управляющий электрод неспособна прекратить его работу или закрыть. Модулятор только включает тиристор. Прекращение действия последнего происходит только после того, как на ступени катод-анод прерывается подача тока.

Регулятор напряжения на тиристоре ку202н закрывается следующими способами:

  • Отключить схему от блока питания (батарейки). Устройство при этом не заработает до тех пор, пока не будет нажата специальная кнопка.
  • Размокнуть соединение анод-катод с помощью проволоки или пинцета. Через эти элементы идет все напряжение, поступая в тиристор. Если перемычку разомкнуть, уровень тока окажется нулевым и устройство выключится.
  • Уменьшить напряжение до минимального.

Простой регулятор напряжения

Схема регулятора мощности для паяльника

Даже самая простая радиодеталь состоит из генератора, выпрямителя, аккумулятора, а также переключателя напряжения. Такие устройства обычно не содержат стабилизаторов. Сам же тиристорный регулятор тока состоит из таких элементов:

  • диод – 4 шт.;
  • транзистор – 1 шт;
  • конденсатор – 2 шт.;
  • резистор – 2 шт.

Чтобы избежать перегрева транзистора, к нему устанавливают систему охлаждения. Желательно, чтобы последняя имела большой запас мощности, которая позволит заряжать в дальнейшем аккумуляторы с невысокой емкостью.

Способы регулирования фазового напряжения в сети

Изменяют переменное электрическое напряжение при помощи таких электрических приборов, как: тиратрон, тиристор и прочие. При изменении угла этих структур на нагрузку подаются неполными полуволнами, а в результате регулируется действующее напряжение. Искажение вызывает возрастание тока и падение напряжения. Последнее меняет форму из синусоидальной в несинусоидальную.

Схемы на тиристорах

Система включится после того, как на конденсаторе соберется достаточно напряжения. При этом момент открытия контролируется при помощи резистора. На схеме он обозначен как R2. Чем медленнее заряжается конденсатор, тем больше сопротивления у этого элемента. Регулируется электроток через управляющий электрод.

Эта схема дает возможность контролировать полную мощность в устройстве, так как регулируются два полупериода. Это возможно благодаря установке в диодном мосте тиристора, который воздействует на одну из полуволн.

Регулятор напряжения, схема которого представлена выше, имеет упрощенную конструкцию. Контролируется здесь одна полуволна, в то время как другая без изменений проходит через VD1. Работает по аналогичному сценарию.

При работе с тиристором импульс на управляющий электрод следует подавать в определенный момент, чтобы срез фаз достиг требуемой величины. Нужно определять переход полуволны в нулевой уровень, иначе регулировка не будет эффективной.

Основы электроники: регулятор напряжения

Базовая теория: как работает регулятор напряжения?

Название говорит само за себя: регулятор напряжения. Аккумулятор в вашем автомобиле, который заряжается от генератора переменного тока, розетка в вашем доме, которая обеспечивает все необходимое электричеством, сотовый телефон , который вы, вероятно, держите под рукой каждую минуту дня, все они требуют определенного напряжения, чтобы функция. Колебания выходного сигнала, которые прыгают от ± 2 В, могут привести к неэффективной работе и, возможно, даже к повреждению ваших зарядных устройств. Существует множество причин, по которым могут возникать колебания напряжения: состояние электросети, включение и выключение других приборов, время суток, факторы окружающей среды и т. д. В связи с необходимостью постоянного постоянного напряжения необходимо ввести регулятор напряжения.

Регулятор напряжения представляет собой интегральную схему (ИС), которая обеспечивает постоянное фиксированное выходное напряжение независимо от изменения нагрузки или входного напряжения. Это можно сделать разными способами в зависимости от топологии схемы внутри, но для того, чтобы этот проект оставался базовым, мы сосредоточимся в основном на линейном регуляторе. Линейный регулятор напряжения работает, автоматически регулируя сопротивление через контур обратной связи, учитывая изменения как нагрузки, так и входа, при этом выходное напряжение остается постоянным.


ИС регулятора напряжения в корпусе TO-220


Импульсные регуляторы, с другой стороны, такие как buck (понижающий), boost (повышающий) и buck-boost (повышающий/понижающий), требуют нескольких дополнительных компонентов, а также повышенной сложности как различные компоненты повлияют на результат. Импульсные стабилизаторы гораздо более эффективны с точки зрения преобразования энергии, где эффективность играет большую роль, но линейные стабилизаторы очень хорошо работают в качестве регуляторов напряжения в низковольтных приложениях.

В зависимости от приложения регулятору напряжения может также потребоваться более пристальное внимание к улучшению других параметров, таких как выходное напряжение пульсаций, переходная характеристика нагрузки, падение напряжения и выходной шум. Такие приложения, как аудиопроекты, более чувствительны к шумам и помехам, поэтому потребуется дополнительная фильтрация, особенно в импульсных стабилизаторах, где пульсации на выходе могут быть значительными. Большую часть информации, включая схемы, можно найти в техническом описании микросхемы регулятора напряжения, с которой вы работаете, в разделе «Примечания по применению».



Указания по применению регулятора 7805T


Afrotechmods также имеет информативное видео о работе с популярным стабилизатором напряжения LM317T для получения регулируемого выхода.

Проект

Комплект регулятора напряжения макетной платы — отличный набор для пайки для любого новичка. Он выдает чистое напряжение 5 В постоянного тока с максимальным выходным током 500 мА. Он может принимать входное напряжение в диапазоне 6–18 В постоянного тока и имеет контакты, размер которых идеально подходит для любой стандартной макетной платы с шагом 0,1 дюйма.

Комплект включает:

(1) Печатная плата
(1) Выключатель питания
(1) Гнездо питания постоянного тока 2,1 мм
(1) Электролитический конденсатор 10 мкФ
(1) Монолитический конденсатор 0,1 мкФ
(1) Резистор 1 кОм
(1) Красная мощность светодиодный индикатор
(1) Штыревые разъемы
(1) Руководство пользователя

Вам потребуется:
• Паяльник
• Припой
• Резаки
• Сетевой адаптер 6-18 В (Mean Well GS06U-3PIJ)

Комплект регулятора напряжения макетной платы Solarbotics 34020



Направления:

1. Резистор и конденсатор 0,1 мкФ:

Снимите ленту и согните выводы резистора, затем вставьте его в положение, обозначенное R1. Припаяйте его с другой стороны и обрежьте лишние выводы. Сделайте то же самое для конденсатора 0,1 мкФ в положении C2. Неважно, как эти детали установлены – они не поляризованы .

2. Регулятор напряжения и цилиндрический разъем:

Припаяйте регулятор напряжения к позиции V-REG. Убедитесь, что сторона вкладки совпадает с жирной линией на символе — назад не получится! Далее обрежьте лишние провода. Установите цилиндрический разъем в положение B1 и припаяйте его на место.

Шаг 1
Шаг 2


3. Конденсатор 10 мкФ и индикатор питания:

Установите электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ в положение C1. Позиционирование имеет решающее значение. Убедитесь, что более длинный провод входит в контактную площадку, отмеченную (+). Убедитесь, что он находится в правильном положении, проверив, что полоса на боковой стороне конденсатора находится ближе всего к этикетке PWR. Сделайте то же самое со светодиодом; более длинный провод входит в круглую площадку. Вы можете убедиться, что светодиод находится в правильном положении, отметив, что небольшая выемка на светодиоде находится сбоку от символа светодиода с линией (рядом с квадратной площадкой).

4. Выключатель питания и контакты макетной платы:

Выключатель питания просто устанавливается в положение PWR. С выводами на макетной плате немного сложнее — они идут снизу и их труднее удерживать во время пайки. Аккуратно припаяйте их как можно ровнее вручную или, если вы уверены, вставьте длинную сторону контактов в макетную плату так, чтобы они совпали с отверстиями на печатной плате, затем припаяйте их, пока макетная плата удерживает все на одном уровне.


Шаг 3
Этап 4


5. Настройка шин питания:

ЭТО ВАЖНО. Если вы забудете это сделать, ваша доска не будет работать! Выберите, с какой стороны макетной платы вы хотите установить плату (в этом примере мы используем левую сторону). Обратите внимание на полярность направляющих макетной платы «+» внизу и «-» вверху. Найдите, какой набор контактных площадок на плате соответствует этому расположению, и поместите каплю припоя на маленькие полумесяцы.

Если вы планируете переключать полярность питания на шинах, вы можете установить номер детали SWT7 на контактные площадки между контактными площадками. При этом не кладите капли на подушечки. Обратите внимание, что это не рекомендуемая модификация.

Запитайте плату от любого 2,1-мм источника питания постоянного тока с номинальным напряжением 6–18 В — не превышайте максимальное значение 35 В постоянного тока! Регулятор мощности нагревается при напряжении более 12 В (это нормально). Если вы не хотите использовать его на макетной плате, используйте контактные площадки для пайки с маркировкой «+-» на конце, ближайшем к разъему цилиндра, для регулируемой выходной мощности 5 В.



Шаг 5


SWT7 Установленный

Вопросы для обсуждения

1. Какое влияние окажут тепло и шум на выход схемы?
2. Как конденсаторы помогают отфильтровывать помехи?
3. Каковы преимущества и недостатки как линейных, так и импульсных регуляторов?

SCR в цепях переменного тока

Google Ads

  • Изучив этот раздел, вы сможете:
  • Описать методы управления мощностью переменного тока с помощью SCR
  • • Полуволновое и полноволновое управление
  • • Базовое резистивное управление.
  • • Управление фазой.
  • • Контроль уровня.
  • • Импульсный запуск.
  • • Синхронное переключение или переключение при пересечении нуля.
  • Понимание работы схемы для различных методов срабатывания SCR.
  • Описать методы защитной изоляции для устройств среднего и высокого напряжения.

Базовое резистивное управление

Тиристоры обычно используются в цепях управления питанием переменного тока, таких как регуляторы освещения, регуляторы скорости двигателя переменного тока, нагреватели и т. д., где сетевое (линейное) напряжение используется для нагрузки в несколько ватт или часто киловатт. Целью управления переменным током является срабатывание тиристора в течение части каждого цикла переменного тока, чтобы ток нагрузки через тиристор отключался на часть цикла переменного тока, тем самым ограничивая средний ток, протекающий через тиристор, и, следовательно, среднюю отдаваемую мощность. к нагрузке.

Рис. 6.2.1 Базовая резистивная схема управления

Самый простой способ добиться этого показан на рис. 6.2.1, где тиристор включается путем подачи синусоидального сигнала низкого напряжения (полученного от входа переменного тока простым сеть резисторов, содержащая регулируемый потенциометр) к клемме затвора SCR. Обратите внимание, что поскольку входная волна затвора получается из переменного тока, протекающего через SCR, она будет состоять только из выпрямленных полуволновых импульсов. Эффект этой входной волны заключается в том, что SCR будет включаться только тогда, когда форма сигнала затвора достигает потенциала запуска SCR, что происходит частично в течение каждого положительного полупериода волны переменного тока. Как только тиристор включен, он продолжает проводить до тех пор, пока волна переменного тока не уменьшится до чуть выше нуля вольт, когда ток, протекающий между анодом и катодом, упадет до значения, меньшего порога «удерживающего тока» (показанного в Тиристорном модуле 6.0 рис. 6.0). .3). Затем тиристор остается в непроводящем состоянии в течение отрицательного полупериода волны переменного тока, поскольку теперь он смещен в обратном направлении (в режиме обратной блокировки) в течение оставшейся части периода переменного тока. Когда начинается следующий положительный полупериод, тиристор остается в непроводящем состоянии до тех пор, пока сигнал триггера на клемме затвора снова не достигнет своего потенциала запуска.

Рис. 6.2.2 Резистивный запуск SCR

Время или фазовый угол, при котором будет запускаться SCR, можно изменять, изменяя амплитуду стробирующего сигнала. Как видно из анимации на рис. 6.2.2. чем меньше амплитуда стробирующего сигнала, тем позже включается тринистор. Таким образом, изменение амплитуды сигнала запуска управляет временем включения SCR. Однако обратите внимание, что, поскольку тиристор в основном представляет собой выпрямительный диод, он проводит ток только в течение половины периода переменного тока, поэтому один SCR может обеспечить только 50% доступной мощности переменного тока. Кроме того, при использовании этой очень простой формы управления ток, протекающий через SCR, можно контролировать только в течение половины положительного полупериода, то есть четверти полного цикла переменного тока. Можно видеть, что как только время включения достигает пиковой амплитуды волны переменного тока, оно не может быть отрегулировано дальше, так как пиковая амплитуда сигнала запуска больше не будет достигать потенциала запуска затвора тиристора и, таким образом, не будет запускать тиристор после эта точка.

Рис. 6.2.3 Управление переменным током с помощью резисторов

Рис. 6.2.3 Видео недоступно в печатном формате простой резистивный метод, управление не очень линейное; первоначально ток через SCR изменяется лишь на относительно небольшую величину, но происходит более быстрое изменение непосредственно перед прекращением проводимости. Посмотрите внимательно на врезку с изображением лампы в видео; он начинает заметно тускнеть только тогда, когда время переключения приближается к пиковому значению волны переменного тока.

Рис. 6.2.4 Методы управления двухполупериодным SCR

Полноволновое управление SCR

Описанную выше базовую работу SCR можно значительно улучшить с помощью некоторых простых модификаций. Возможно, самым большим недостатком простого резистивного управления является то, что диапазон регулировки может охватывать только 25% всей волны переменного тока. Это происходит из-за действия диода SCR, проводящего ток только во время положительной половины волны переменного тока. Чтобы обеспечить проводимость во время отрицательной половины волны переменного тока, переменный ток можно выпрямить с помощью двухполупериодного выпрямителя, как показано на рис. 6.2.4 (а). Поскольку обе половины волны переменного тока теперь будут положительными, диапазон регулировки теперь улучшен почти до 50%. Альтернативой является использование второго тиристора, соединенного встречно-параллельно, как показано на рис. 6.2.4(b), так что один тиристор работает в течение положительных полупериодов, а другой тиристоров во время отрицательных полупериодов. Однако такое параллельное расположение тиристоров также можно получить, просто используя один симистор вместо двух тиристоров.

Рис. 6.2.5 Демонстрационная схема управления фазой тиристора

Управление фазой тиристора

Для достижения контроля практически над 100 % волны переменного тока, управление фазой просто заменяет один из резисторов в резистивной цепи управления конденсатором. Это теперь преобразует цепь резисторов в переменный фильтр нижних частот, который сдвигает фазу волны переменного тока, подаваемой на затвор. Подробности о том, как работает фильтр нижних частот, можно найти здесь, но в основном значения C и R выбираются так, чтобы регулировка R1 обеспечивала фазовый сдвиг от 0° до почти 9°.0°. Чтобы быть эффективным, изменение R1 должно давать достаточное изменение поведения нагрузочного устройства (в данном случае 12-вольтовой лампы 100 мА). Однако помимо смещения фазы сигнала затвора, RC-фильтр также будет изменять амплитуду сигнала затвора, поэтому амплитуда сигнала затвора также должна поддерживаться выше потенциала запуска выбранного типа SCR для переключения. иметь место. Из этих условий видно, что расчет подходящих значений R и C для обеспечения надлежащего управления зависит как от фазы, так и от амплитуды, поэтому может быть довольно сложным. Поэтому, скорее всего, также потребуются некоторые практические эксперименты со значениями R и C.

Рис. 6.2.6 Управление фазой SCR

Рис. 6.2.6 Видео недоступно в печатном формате

Видео на рис. 6.2.6 показывает рабочую схему с использованием значений компонентов, показанных на рис. 6.2.5 . Наблюдая за яркостью лампы вместе с изменяющейся формой волны, показанной на вставке, можно увидеть, что использование управления фазой действительно дает значительно улучшенный контроль почти на всех 180° каждого полупериода по сравнению с простым резистивным управлением.

Регулятор уровня SCR

Рис. 6.2.7 Управление уровнем тиристора

Другой способ включения тиристора в соответствующей части цикла переменного тока заключается в подаче постоянного напряжения на затвор в течение времени, необходимого для проведения тиристора. Таким образом, постоянный ток, приложенный к затвору, будет импульсом переменной ширины, имеющим уровень напряжения, достаточный для того, чтобы вызвать срабатывание SCR. Эти импульсы должны быть синхронизированы с выпрямленной волной переменного тока, чтобы они всегда начинались и заканчивались в правильное время относительно формы волны переменного тока.

Анимация на рис. 6.2.7 иллюстрирует основной метод запуска SCR с использованием контроля уровня. Тринистор срабатывает (включается) на период в течение каждого полупериода выпрямленного переменного тока напряжением В г наносится на затвор SCR. Тринистор выключается в конце каждого полупериода, когда напряжение на тринисторах падает почти до нуля, что также совпадает с окончанием триггерного импульса V g . Импульсы постоянного тока могут генерироваться в цифровом виде с использованием выходного сигнала компьютера или с помощью схемы с дискретными компонентами, такой как показанная ниже на рис. 6.2.8, в которой используется моностабильный таймер 555. Эта схема предлагает простой и недорогой метод демонстрации работы тиристора с использованием только низких напряжений. Используются два источника питания, заштрихованная область на рис. 6.2.8 представляет собой демонстрационный источник переменного тока, описанный в модуле SCR 6.0, который изолирует демонстрационную схему от сети (линии) питания. Управляющая часть схемы должна быть снабжена постоянным напряжением от 5 до 12 В. Это может быть либо отдельный источник питания постоянного тока (например, «Wall Wart»), специальный регулируемый источник питания IC или батарея. Секция управления схемы (черная) также изолирована от секции переменного тока (красная) двумя оптопарами, IC1 и IC3. Поскольку эта схема уже изолирована от сетевого напряжения с помощью T1, кажется ненужным использовать второй метод изоляции в IC1. Однако в данном случае основной функцией IC1 является не изоляция, а работа в качестве детектора пересечения нуля.

Рис. 6.2.8 Схема запуска уровня SCR

 

Рис. 6.2.9 Сигналы запуска уровня SCR

Демонстрационная схема запуска уровня

Схема на рис. 6.2.8 включает SCR в момент, выбранный установка VR1 во время каждого положительного полупериода переменного тока от источника питания низкого напряжения (форма волны A). SCR снова отключается, когда выпрямленное переменное напряжение падает почти до нуля в конце каждого полупериода. Схема управления построена на микросхеме таймера 555, работающей в моностабильном режиме, и двух оптронах 4N25.

Помимо изоляции схемы 555 от входящего переменного тока, IC1 (4N25) обеспечивает синхронизирующий импульс (форма сигнала B на рис. 6.2.9). Это достигается за счет смещения IC1 в режиме общего коллектора, так что его выходной транзистор проводит большую часть входного сигнала полной волны переменного тока, создавая высокое напряжение (5 В) на выводе 4, но отключается, когда волна переменного тока приближается к 0 В, создавая выходной сигнал 0 В. на выводе 4 микросхемы IC1. Эти импульсы используются для запуска моностабильного преобразователя 555 (IC2) в начале каждого полупериода.

Каждый раз, когда IC2 срабатывает, его выход на контакте 3 становится высоким на время, заданное постоянной времени, создаваемой переменным резистором VR1 и времязадающим конденсатором C1. Обратите внимание, что VR1 также подключен параллельно резистору R4 номиналом 27 кОм. Целью этого является достижение более точной постоянной времени, чем это возможно при использовании только предпочтительных значений VR1 и C1. Также можно было бы установить предустановленный резистор вместо R4, чтобы получить точную длительность триггерного импульса высокого уровня, создаваемого IC2.

Рис. 6.2.10 Запуск по уровню SCR

Рис. 6.2.10 Видео недоступно в печатном формате получен импульс, который включит SCR в начале полупериода. Кроме того, когда триггерный импульс возвращается к низкому уровню, это не выключает SCR, он будет продолжать работать до конца полупериода; это не то что нужно. Однако сигнал C инвертируется под действием оптрона IC3, так как его выходной транзистор включен в режиме с общим эмиттером. Следовательно, тиристор срабатывает в последний период полупериода выпрямленного переменного тока (форма сигнала D на рис. 6.2.9).). Обратите внимание, что форма волны D не похожа на обратную форму волны C, потому что, как только тринистор срабатывает, вход затвора (вместе с анодом и катодом) повторяет форму выпрямленной волны переменного тока с момента срабатывания до момента ее запуска.

достигает 0В.

Обратите внимание, что схема срабатывания по уровню, описанная здесь и показанная в работе на видео на рис. 6.2.10, предназначена не для представления практической схемы управления высоким напряжением, а в качестве демонстрационного элемента, позволяющего управлять тиристором. учился. Таким образом, этот модуль дает возможность более подробно изучить режимы запуска SCR, используя низковольтный источник питания переменного тока, описанный в модуле SCR 6.0, и создавая схемы запуска на макетной плате. Однако на практике у запуска по уровню есть некоторые недостатки, которые можно преодолеть, используя запуск по импульсу.

Запуск по импульсу SCR

Использование запуска по уровню, как описано выше, имеет недостаток, заключающийся в создании тока затвора в течение всего периода включения SCR. Это создает ненужный ток затвора и в приложениях с высокой мощностью может добавить тепла, выделяемого на переходе 2 тринистора, что, в свою очередь, может снизить долгосрочную надежность.

Модификация схемы, показанной на рис. 6.2.8, проиллюстрирована на рис. 6.2.11. Эта схема генерирует один узкий импульс (длительностью около 4 мкс) для срабатывания тиристора при выбранном угле открытия, затем тиристор продолжает работать до тех пор, пока прямой ток не упадет ниже значения тока удержания при напряжении около 0 В, что значительно снижает среднее значение затвора. Текущий.

Рис. 6.2.11 Цепь запуска импульса SCR

Как работает схема запуска импульса

Часть рис. 6.2.11, показанная бледно-серым цветом, работает так же, как уже описано для рис. 6.2.8; выход IC2 (моностабильный) состоит из положительных импульсов переменной ширины (форма волны A показана на рис. 6.2.12), где задний фронт каждого импульса определяет угол срабатывания SCR. (Обратите внимание, что в схеме запуска уровня этот сигнал инвертируется перед подачей на затвор, так что задний фронт становится передним фронтом для запуска SCR). На рис. 6.2.11 перед тем, как инвертировать выходной сигнал IC2, он дифференцируется конденсаторами C3 и R5 для получения серии узких 4-микросекундных положительных и отрицательных импульсов, соответствующих переднему и заднему фронтам сигнала A. Эти узкие импульсы подаются на общий коллектор (эмиттерный повторитель) драйвера транзистора Tr1 через R6. Диод D2 на эмиттере Tr1 удаляет положительные импульсы (за исключением небольшого остатка из-за прямого потенциала перехода диода).

Рис. 6.2.12 Сигналы запуска импульса SCR

Отрицательные импульсы (форма сигнала B) на эмиттере Tr1 инвертируются импульсным трансформатором T2 1:1 путем подключения вторичной обмотки T2 в противофазе к первичной обмотке T2 (обратите внимание на фазу точки индикатора рядом с первичной и вторичной обмотками), что создает положительные импульсы запуска для SCR. T2 также действует как изолятор между цепью управления постоянного тока низкого напряжения и тиристором переменного тока более высокого напряжения. На рис. 6.2.12 C показана форма волны катода SCR, быстрый нарастающий фронт соответствует времени триггерного импульса, подаваемого на затвор через токоограничивающий резистор R8; это снижает ток, подаваемый каждым триггерным импульсом, примерно до 100 мкА.

Цепи запуска по уровню и по импульсу обеспечивают надежный запуск и регулировку почти на всех 360° волны переменного тока 50 Гц. Для работы на частоте 60 Гц может потребоваться некоторая регулировка моностабильной постоянной времени. Уровень напряжения питания постоянного тока не критичен, примерно от 5В до 12В.

Рис. 6.2.13 Сигналы пересечения нуля SCR

Синхронное (пересечение нуля) переключение

Однако проблема существует со всеми методами управления, описанными выше. Форма выходного сигнала переменного тока при включении тиристора во время каждого положительного полупериода волны переменного тока имеет очень быстрое время нарастания, поскольку ток через тиристор внезапно переключается с нуля на мгновенное значение волны переменного тока. При использовании с источником питания 230 В переменного тока это резкое изменение может составлять около 325 В (пиковое значение волны переменного тока). Форма волны также может быть острым треугольным пиком, если SCR включается после того, как произошло пиковое значение волны. В любом случае форма волны переменного напряжения, создаваемая действием тиристора, будет богата гармониками, которые могут генерировать серьезный уровень электромагнитных помех (e.m.i), вызывая проблемы не только для других подключенных цепей; помехи также могут излучаться на другую близлежащую электронику в виде радиочастотных помех (РЧИ), поскольку создаваемые гармоники могут распространяться далеко за пределы радиочастотных диапазонов. Чтобы избежать этих проблем, можно использовать альтернативные методы контроля. Один из таких методов, называемый «Синхронное переключение или переключение через ноль», заключается в том, чтобы позволить тиристорам переключаться только тогда, когда форма сигнала сети равна или очень близка к нулю вольт. Затем тиристор включается на несколько циклов, а затем снова выключается (поскольку переменное напряжение проходит через 0 В) на другое количество циклов. Затем можно изменить соотношение циклов включения и выключения, чтобы обеспечить изменение средней мощности, подаваемой на нагрузку. На рис. 6.2.13 показан теоретический метод достижения переключения с нулевым кроссовером. На рис. 6.2.14 показана практическая демонстрационная схема, а на рис. 6.2.15 показаны фактические формы сигналов, полученные из схемы.

Форма сигнала A на рис. 6.2.15 показывает форму сигнала 18Vpp 100 Гц, подаваемого на цепь пересечения нуля от источника питания переменного тока с двухполупериодным выпрямлением и мостового выпрямителя (заштриховано серым цветом на рис. 6.2.14).

Форма сигнала B представляет собой серию импульсов напряжением 5 В, полученных от оптопары IC1. Поскольку транзистор оптопары включен в течение большей части положительного полупериода входного переменного тока, это делает эмиттер высоким, за исключением узкого импульса, когда напряжение на эмиттере падает с 5 В до 0 В каждый раз, когда входное напряжение переменного тока падает до 0 В. Таким образом, эти импульсы синхронизируются с точкой нулевого напряжения формы волны A.

Однако, поскольку для запуска SCR необходимы положительные импульсы запуска, импульсы на B инвертируются с помощью Tr1 для создания сигнала C.

Форма волны D является выходным сигналом автономно работающего нестабильного генератора IC2 555, который генерирует прямоугольные импульсы с частотой повторения импульсов около 7 Гц и переменной скважностью, регулируемой с помощью VR1. Этот сигнал используется для управления соотношением времени включения и выключения SCR. Поскольку SCR будет высоким (включенным) в течение нескольких полупериодов 100 Гц, затем низким (выключенным) в течение нескольких полупериодов. Отношение метки к пространству прямоугольной волны, создаваемой IC2, регулируется VR1 для получения времени включения от 20% до 90% периодического времени нестабильного выхода. Работа IC2 более подробно описана в модуле генераторов 4.4.

Выходы Tr1 (сигнал C) и IC2 (сигнал D) подаются на два входа логического элемента И (IC3). Выход IC3 переходит в состояние логической 1 только тогда, когда оба входа находятся в состоянии логической 1. Это создает серию узких положительных импульсов запуска (форма сигнала E), которые запускают SCR только в начале этих полупериодов, пока сигнал D имеет высокий уровень. Создаваемые импульсы запуска подаются на T2, изолирующий импульсный трансформатор 1:1, через управляющий транзистор эмиттерного повторителя Tr2. Вторичная обмотка T2 подает триггерные импульсы на затвор SCR через резистор ограничения тока R11 и диод D3. Форма сигнала затвора (форма сигнала F) практически идентична форме выходного сигнала на катоде тиристора, поскольку существует лишь небольшая разница напряжений между затвором и катодом тиристора.

Рис. 6.2.14 Цепь управления пересечением нуля SCR

*Примечание по технике безопасности: обычно для этой конструкции подходят резисторы на 0,25 Вт, но если схема работает в течение длительного времени без источника переменного тока, но с включенным источником постоянного тока, существует вероятность того, что R11 (47R 0,25 Вт) может перегреться, так как в этих условиях он будет пропускать повышенный ток из-за того, что форма сигнала E является версией нестабильного выхода с более высоким током (форма сигнала D). Чтобы избежать перегрева, R5 можно заменить версией с более высокой мощностью, или, что предпочтительнее, оба источника переменного и постоянного тока всегда должны быть отключены, когда цепь не работает!

Рис.

6.2.15 Осциллограммы Рис. 6.2.14 Схема

Рис. 6.2.16 Пересечение нуля SCR

Макетная схема

Работа цепи пересечения нуля SCR

Эта демонстрационная схема снова использует низкое напряжение (12 В RMS ) двухполупериодный выпрямленный источник переменного тока, описанный ранее и заштрихованный серым цветом на рис. 6.2.14.

Рис. 6.2.14. использует два разных метода изоляции и демонстрирует, как можно реализовать метод управления пересечением нуля с использованием стандартных компонентов. Он не предназначен для представления какого-либо конкретного коммерчески доступного решения или наилучшего доступного метода. Цель схем управления затвором SCR, обсуждаемых в этом модуле, состоит в том, чтобы обеспечить полезную демонстрацию часто используемых методов управления и среды низкого напряжения для соответствующих экспериментов. Их можно недорого построить на стандартной макетной плате или полосовой доске, как показано на рис. 6.2.16, чтобы использовать их в качестве полезных демонстраций или в качестве студенческих проектов. Низкое напряжение используется в этих проектах для поддержания более безопасной окружающей среды, но Learnabout-electronics.org не утверждает и не предполагает, что какая-либо электронная схема полностью безопасна, выбор создания и / или использования схем и методов, описанных на этом сайте, делается полностью. на свой страх и риск.

Видео на рис. 6.2.17 показывает эффект контроля пересечения нуля при использовании для затемнения лампы. Обратите внимание на ярко выраженное мерцание, возникающее при включении и выключении SCR на низких частотах, которое показывает, что это решение, устраняя одну проблему управления SCR (помехи), создает другую — низкую скорость переключения и связанное с ней мерцание. Однако, хотя это может быть проблемой для приложений освещения, это не проблема для приложений с медленно меняющимися значениями, такими как управление отоплением. Таким образом, пересечение нуля может быть эффективным для контроля температуры путем изменения средней мощности, подаваемой на нагревательный элемент.