Регулятор мощности нагрузки

Регулятор мощности нагрузки

Симисторы и тиристоры используются во многих электросхемах, в быту и на производстве. Ниже описано, что из себя представляет регулятор мощности, каковы его разновидности и где они применяются. Также будет дана инструкция, как собрать стабилизатор напряжения своими руками.

Что такое регулятор мощности

Самые первые прототипы устройств, позволяющих уменьшать проводимую к нагрузке мощность, были разработаны с учетом закона Ома. На этом принципе и основано функционирование реостата. Его можно подключать последовательно и параллельно нагрузке. При изменении сопротивления реостата можно регулировать его мощность.

Что собой представляет регулятор мощности

При подключении реостата к нагрузке ток распределяется между ними. В зависимости от способа подключения можно контролировать разные параметры: при параллельном — разницу потенциалов, а при последовательном — напряжение и силу тока. Реостаты различаются в зависимости от использованного в их конструкции материала: металла, керамики, угля или жидкости.

При использовании реостата поглощенная им энергия никуда не исчезает, а преобразуется в тепло. При большом количестве энергии целесообразно использовать системы охлаждения, чтобы температура устройства не была слишком высокой. Отводят тепло обычно с помощью обдува или погружая резистор в масло.

Такие простейшие реостаты широко применяются, но есть один значимый недостаток — невозможность использовать его в мощных электрических цепях. Поэтому резисторы применяются только в бытовых целях (к примеру, такие есть в конструкции радио).

Обратите внимание! Обычный реостат можно сделать и самому, для этого понадобится только проволока из нихрома или константана. Ее необходимо намотать на оправку, при этом изменение проходящей мощности происходит за счет регулировки длины проволоки.

Все полупроводниковые устройства сделаны на переходах или слоях (n-p, p-n). Простой диод — 1 переход и 2 слоя. Биполярный транзистор — 2 перехода и 3 слоя (трехфазный). А при добавлении четвертого слоя как раз и образуется стабилизатор мощности — тиристор. При соединении 2 тиристоров встречно-параллельно получается симистор.

Как работает регулятор мощности в трансформаторе

В трансформаторе обычно используется симисторный регулятор мощности для индуктивной нагрузки. Он работает как электронный ключ, раскрываясь и запираясь, причем частота задается схемой управления. Ток по симистору проводится в 2 направлениях, поэтому его часто используют для сетей переменного тока.

Схема регулятора напряжения на симисторе для трансформатора

При подключении к трансформатору на один из электродов стабилизатора подается переменный ток, на управляющий электрод — отрицательное управляющее напряжение (с диодного моста). Когда порог включения повысится, симистор раскроется и пустится ток. В момент смены полярности на входе симистор закроется.

Важно! Вся последовательность действий повторяется неоднократно.

Разновидности регуляторов мощности

Для разных целей используются различные регуляторы мощности.

Тиристорный прибор управления

Конструкция устройства довольно простая. Обычно тиристоры применяются в маломощных приборах. Тиристорный терморегулятор состоит из биполярных транзисторов, самого тиристора, конденсатора и нескольких резисторов.

Тиристорный транзисторный регулятор

Транзисторы образуют импульсный сигнал, когда конденсаторное напряжение уравнивается с рабочим, они открываются. Электросигнал передается на вывод тиристора, после чего происходит разрядка конденсатора и запирание ключа. Вся последовательность действий повторяется циклически.

Обратите внимание! Величина задержки обратно пропорциональна мощности, которая поступает в нагрузку.

Симисторный преобразователь мощности

Симистор — подвид тиристора, в котором несколько больше переходов p-n, из-за чего его принцип работы несколько иной. Но часто симистор считают отдельным видом стабилизатора мощности. Конструкция представляет собой 2 тиристора, подключенных параллельно и имеющих общее управление.

К сведению! Отсюда и происходит название «симистор» — «симметричные тиристоры». Иногда он еще называется ТРИАК (TRIAC).

Схема 2 параллельно подключенных тиристоров (слева) и симистора (справа)

На схеме видно, что у симистора вместо анода и катода указаны обозначения Т1 и Т2. Все потому, что понятия «катод» и «анод» в данном случае не имеют смысла, так как электроток может выходить через оба вывода.

Симисторные универсальные регуляторы имеют ряд плюсов, в их числе небольшая цена, долгий срок службы и отсутствие подвижных контактов, которые могут быть источниками помех. Но есть и недостатки: подверженность помехам и шумам, отсутствие поддержки высоких частот переключения.

Важно! Их не применяют в мощных промышленных установках, вместо этого там используют тиристоры или IGBT транзисторы.

Фазовый способ трансформации

Фазовая трансформация происходит в так называемых диммерах. Используются такие приборы, к примеру, для изменения интенсивности освещения галогенных ламп или лампочек накаливания. Электросхема обычно воплощается на специальных микроконтроллерах, в которых используется своя интегрированная электросхема снижения напряжения. Благодаря своей конструкции диммеры могут плавно снижать мощность.

Светодиодный диммер

Из минусов таких устройств высокая чувствительность к помехам, высокий коэффициент пульсаций и маленький коэффициент мощности сигнала на выходе. Чтобы стабилизировать диммер, используются сдвоенные тиристоры.

Как сделать регулятор мощности своими руками

Для сборки стабилизатора напряжения на симисторе для трансформатора понадобятся следующие компоненты:

• сам симистор и электронные компоненты: динистор, потенциометр, диоды, конденсатор и сопротивления;
• радиатор;
• изолирующая теплопередающая прокладка;
• пластиковый корпус;
• печатная плата;
• мультиметр;
• паяльник.

Пошаговая инструкция, как собрать самодельный регулятор мощности:

1. Сперва необходимо определить некоторые характеристики устройства, для которого нужен регулятор: входное напряжение, силу тока, сколько фаз (3 или 1), а также, есть ли необходимость в точной настройке мощности на выходе.
2. Нужно определиться с типом прибора — цифровое или аналоговое. Можно смоделировать электрическую цепь посредством скачиваемых утилит, таких как CircuitMaker или Workbench, чтобы проверить, насколько выбранный тип будет подходить конкретной электросети. Также это можно сделать и онлайн.
3. После можно приступить к расчетам тепловыделения с использованием формулы: спад напряжения в регуляторе помножить на силу тока. Оба параметра должны быть указаны в спецификациях симистора. Ориентируясь на полученную с помощью формулы мощность, нужно выбрать радиатор.
4. Купить радиатор, электронные компоненты и печатную плату.
5. Осуществить разводку дорожек контактов и приготовить места, куда нужно устанавливать электронные компоненты, симистор и радиатор.
6. Закрепить при помощи паяльника все компоненты на печатной плате. В качестве альтернативы плате можно воспользоваться навесным монтажом с короткими проводами. Нужно внимательно следить за полярностью подключаемых компонентов: симистора и диодов.
7. Взять мультиметр и проверить сопротивление получившейся схемы. Полученное значение не должно отличаться от теоретического.
8. Скрепить симистор и радиатор, проложив между ними прокладку и заизолировав винт, которым они соединяются.
9. Полученную микросхему нужно поместить в корпус из пластика.
10. Поставить потенциометр на минимальное значение и попробовать включить. С помощью мультиметра замерить напряжение на выходе. Медленно поворачивать регулируемую ручку потенциометра, наблюдая за переменой напряжения.
11. Если схема будет работать так, как было задумано, то можно подсоединять нагрузку. В ином случае нужно отрегулировать мощность по-другому.

Схемы регуляторов мощности напряжения

Схема работы симистора

В некоторых бытовых приборах, к примеру, используются тиристорные стабилизаторы напряжения — в паяльниках, электронагревателях и т. д.

Схема тиристорного регулятора напряжения в паяльнике

Для регулирования напряжения применяют и индукционные приборы.

Схема индукционного стабилизатора

Регуляторы мощности используются практически во всех бытовых электроприборах, а также на производстве. При желании такое устройство можно собрать и самому. Главное — найти подходящую схему из множества существующих и строго следовать инструкции.

Способы и схемы управления тиристором или симистором

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Содержание статьи

Определение

Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Как сделать зарядное устройство для автомобильного аккумулятора

Простейшее зарядное устройство для автомобильных и мотоциклетных аккумуляторных батарей, как правило, состоит из понижающего трансформатора и подключенного к его вторичной обмотке двухполупериодного выпрямителя. Последовательно с батареей включают мощный реостат для установки необходимого зарядного тока. Однако такая конструкция получается очень громоздкой и излишне энергоемкой, а другие способы регулирования зарядного тока обычно ее существенно усложняют.

Упрощенная схема зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов.

В промышленных зарядных устройствах для выпрямления зарядного тока и изменения его значения иногда применяют тринисторы КУ202Г. Здесь следует заметить, что прямое напряжение на включенных тринисторах при большом зарядном токе может достигать 1,5 В. Из-за этого они сильно нагреваются, а по паспорту температура корпуса тринистора не должна превышать +85°С.

В таких устройствах приходится принимать меры по ограничению и температурной стабилизации зарядного тока, что приводит к дальнейшему их усложнению и удорожанию.

Описываемое ниже сравнительно простое зарядное устройство имеет широкие пределы регулирования зарядного тока – практически от нуля до 10 А – и может быть использовано для зарядки различных стартерных батарей аккумуляторов на напряжение 12 В.

В основу устройства (см. схему) положен симисторный регулятор с дополнительно введенными маломощным диодным мостом VD1-VD4 и резисторами R3 и R5.

Схема Упрощенная схема зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов, сделанного своими руками.

После подключения устройства к сети при плюсовом ее полупериоде (плюс на верхнем по схеме проводе) начинает заряжаться конденсатор С2 через резистор R3, диод VD1 и последовательно соединенные резисторы R1 и R2. При минусовом полупериоде сети этот конденсатор заряжается через те же резисторы R2 и R1, диод VD2 и резистор R5. В обоих случаях конденсатор заряжается до одного и того же напряжения, меняется только полярность зарядки.

Как только напряжение на конденсаторе достигнет порога зажигания неоновой лампы HL1, она зажигается, а конденсатор быстро разряжается через лампу и управляющий электрод симистора VS1. При этом симистор открывается. В конце полупериода симистор закрывается. Описанный процесс повторяется в каждом полупериоде сети.

Общеизвестно, например, что управление тиристором посредством короткого импульса имеет тот недостаток, что при индуктивной или высокоомной активной нагрузке анодный ток прибора может не успеть достигнуть значения тока удержания за время действия управляющего импульса. Одной из мер по устранению этого недостатка является включение параллельно нагрузке резистора.

В описываемом зарядном устройстве после включения симистора VS1 его основной ток протекает не только через первичную обмотку трансформатора Т1, но и через один из резисторов – R3 или R5, которые в зависимости от полярности полупериода сетевого напряжения поочередно подключаются параллельно первичной обмотке трансформатора диодами VD4 и VD3 соответственно.

Этой же цели служит и мощный резистор R6, являющийся нагрузкой выпрямителя VD5, VD6. Кроме того, резистор R6 формирует импульсы разрядного тока, которые продлевают срок службы батареи.

Основным узлом устройства является трансформатор Т1. Его можно изготовить на базе лабораторного трансформатора ЛАТР-2М, изолировав его обмотку (она будет первичной) тремя слоями лакоткани и намотав вторичную обмотку, состоящую из 80 витков изолированного медного провода сечением не менее 3 мм² с отводом от середины. Трансформатор и выпрямитель можно заимствовать также из подходящего по мощности источника питания. При самостоятельном изготовлении трансформатора можно воспользоваться следующей методикой расчета – в этом случае задаются напряжением на вторичной обмотке 20 В при токе 10 А.

Конденсаторы С1 и С2 – МБМ или другие на напряжение не менее 400 и 160 В соответственно. Резисторы R1 и R2 – СП 1-1 и СПЗ-45 соответственно. Диоды VD1-VD4 -Д226, Д226Б или КД105Б. Неоновая лампа HL1 – ИН-3, ИН-ЗА; желательно применять лампу с одинаковыми по конструкции и размерам электродами – это обеспечит симметричность импульсов тока через первичную обмотку трансформатора.

Подробная схема зарядного устройства.

Диоды КД202А можно заменить на любые из этой серии, а также на Д242, Д242А или другие со средним прямым тоном не менее 5 А. Диод размещают на дюралюминиевой теплоотводящей пластине с полезной площадью поверхности рассеяния не менее 120 см². Симистор также следует укрепить на теплоотводящей пластине примерно вдвое меньшей площади поверхности. Резистор R6 – ПЭВ-10; его можно заменить пятью параллельно соединенными резисторами МЛТ-2 сопротивлением 110 Ом.