Меню

Тиристорный выпрямитель тока схема



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!).

Схема выпрямителя на четырех силовых вентилях

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.

Схема регулятора тока на тиристорах

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.

Схемы регулируемого выпрямителя полностью на тиристорах

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.

Тиристорный мост для регулировки тока в широком диапазоне

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

Принципиальная схема блока управления тиристорами

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.

Диаграмма импульсов

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 — H1, большему — меньшая часть полупериода синусоиды — H2 (рис.4). В конце полупериода ток прекращается, и все тиристоры закрываются.

Схема автоматического двухпредельного вольтметра

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.

Вид устройства сверху

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.

Вид на лицевую панель устройства

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.

Автоматизация режима запуска двигателя автомобиля

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.

Источник

Тиристорные и транзисторные выпрямители

Фазовое регулирование режима в тиристорном выпрямителе

Фазовое регулирование заключается в изменении угла управления тиристоров, приводящем к изменению части напряжения трансформатора, подаваемого тиристорным выпрямительным блоком на нагрузку.

Фазовое регулирование обладает всеми достоинствами электрического регулирования: компактность и высокая надежность бесконтактных органов управления, плавность и высокая кратность регулирования напряжения, простота дистанционного и программного управления.

Главный недостаток фазового регулирования заключается в значительной пульсации выпрямленного напряжения. При a>60″ в кривой выпрямленного напряжения появляются разрывы. Более того, даже в интервале 0

Приемы снижения пульсации напряжения и тока приведены на схемах, используемых в серийных тиристорных выпрямителях (рис. 1). Обычно с этой целью устанавливают сглаживающий дроссель L, иногда с обратным диодом VD (рис. 1,а). В те моменты, когда мгновенное значение выпрямленного напряжения уменьшается, сварочный ток поддерживается энергией, запасенной дросселем в предыдущий промежуток времени. Обратный диод особенно полезен при глубоком регулировании (a > 60″), поскольку позволяет дpосселю поддеpживать ток iд2 в моменты, когда тиpистоpы не пpопускают ток iд1. В pезультате кpивая тока сглаживается. Для пpактически полного сглаживания тока во всем интеpвале pегулиpования a от 0 до 90″ необходимо, чтобы сопротивление дросселя XL = wL было существенно выше сопротивления нагрузки — дуги (wL > 5Rд). Такой мощный дроссель слишком дорог и велик, к тому же чрезмерно замедляет переходные процессы при зажигании дуги и переносе электродного металла. Поэтому индуктивность назначают на уровне L = 0,2 — 0,5 мГн только из соображения уменьшения разбрызгивания, не стремясь к полному сглаживанию кривой тока. Обычно применяется дроссель с воздушным зазором на 2 — 3 ступени (рис. 1,б).

Читайте также:  При перемещении по проводнику заряда q 40 мкл электрического тока


Рис. 1. Упрощённые схемы тиристорных выпрямителей:
а- с трёхфазной мостовой;
б- с шестифазной с уравнительным дросселем;
в- с кольцевой схемой выпрямления.

Для снижения пульсации напряжения разумно также ограничивать глубину фазового регулирования,например до a = 60″. Чтобы кратность регулирования напряжения при этом не снизилась, фазовое регулирование дополняют ступенчатым, например, изменяя соединение обмоток трансформатора. На рис. 4.7,б переключатель S показан в положении, обеспечивающем соединение первичных обмоток в звезду, что дает низший диапазон регулирования сварочного напряжения. При другом положении переключателя обмотки соединяются треугольником, и выпрямленное напряжение увеличивается в 1,73 раза.

Наконец, устойчивое горение дуги при глубоком фазовом регулировании достигается введением блока подпитки (рис. 1,в). Блок представляет собой вспомогательный маломощный выпрямитель, состоящий из трансформатора Т2 с увеличенным рассеянием и блока неуправляемых вентилей VD. Его ток заполняет паузы в кривой тока основного источника.

Формирование внешних характеристик в тиристорном выпрямителе

Необходимые(жесткие или крутопадающие) внешние характеристики в тиристорном выпрямителе могут быть сформированы как естественным, так и искусственным способом.

Естественные внешние характеристики имеют наклон, зависящий от сопротивления трансформатора.

Необходимый тип естественной внешней характеристики тиристорного выпрямителя задается конструкцией трансформатора. Жесткие характеристики получаются при использовании трансформатора с нормальным рассеянием, крутопадающие —трансформатора с увеличенным рассеянием.

Искусственные внешние характеристики формируются за счет обратных связей. В этом случае выпрямитель нужно представить как замкнутую систему автоматического регулирования тока или напряжения На приведенной функциональной схеме толстой линией вы-делены элементы, обязательные для любого тиристорного выпрямителя. В силовой части схемы напряжение сети преобразуется трансформатором с нормальным рассеянием и после выпрямления тиристорным блоком и сглаживания фильтром подается на дугу. В слаботочной части блок задания БЗ формирует сигнал задания тока Uзт или напряжения Uзн , а блок фазового управления БФУ передает его к тиристорному блоку, формируя импульсы управления. Для создания системы автоматического регулирования с цепями обратных связей необходимы, кроме того, датчики выпрямленного напряжения и тока, датчик сетевого напряжения, а также блок сравнения БС сигнала задания с сигналом датчика. В конкретной конструкции может быть как одна из показанных пунктирной линией обратных связей, так и несколько.

Блок-схема тиристорного выпрямителя с обратными связями

Рис. 2. Блок-схема тиристорного выпрямителя с обратными связями

Искусственные внешние характеристики в тиристорном выпрямителе получаются благодаря обратным связям по напряжению или току. Стабилизация напряжения при жестких внешних характеристиках достигается введением отрицательной обратной связи по сварочному или сетевому напряжению. Крутопадающую характеристику обеспечивает ведение отрицательной обратной связи по току.

Выпрямитель с тиристорным выпрямительным блоком

Выше было показано, что на основе одной и той же силовой части тиристорного выпрямителя с помощью слаботочных цепей управления можно сформировать и жесткие, и крутопадающие характеристики. Поэтому большинство тиристорных выпрямителей разработаны как универсальные.

Универсальный выпрямитель ВДУ-505 (рис. 3) имеет в своем составе автоматический выключатель QF, пускатель K, силовой трансформатор T, уравнительный дpоссель L1, силовой блок тиристоров V1, линейный дроссель L2, а также не показанные на схеме вентилятор и цепи управления. Силовой понижающий трансформатор имеет нормальное рассеяние, что позволяет применять его при формировании как жестких, так и крутопадающих характеристик. Силовой выпрямительный блок собран из тиристоров T-160-3 по шести фазной схеме с уравнительным дpосселем, которая обеспечивает самую низкую токовую загрузку вентилей.

Выпрямитель ВДУ-505 У3: а- упрощённая принципиальная схема

Рис. 3. Выпрямитель ВДУ-505 У3: а- упрощённая принципиальная схема;
б- падающие; в- жёсткие внешние характеристики

Линейный дроссель L2 предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а при сварке в углекислом газе также для уменьшения разбрызгивания. При ручной сварке с крутопадающими характеристиками дроссель имеет максимальную индуктивность — 0,5мГн. При механизированной сварке в углекислом газе с жесткими характеристиками его индуктивность меняется автоматически в зависимости от режима сварки следующим образом. При низких режимах наблюдается значительная пульсация выпрямленного тока, протекающего по рабочей обмотке ОР дросселя. Поэтому в обмотке управления ОУ индуктируются большие ЭДС и ток, замыкающийся по вентилямV2, V3 и дуге. Этот ток создает с помощью обмотки управления большой магнитный поток, сильно насыщающий железо дросселя. Поэтому при низких режимах дроссель имеет малую индуктивность, при высоких — большую индуктивность.

Дроссель с управляемой индуктивностью изменяет характер переходных процессов при сварке в углекислом газе, существенно снижая разбрызгивание электродного металла.Процесс короткого замыкания каплей корректируется на всех трех этапах. В начале короткого замыкания дроссель L2 имеет максимальную индуктивность (около 0,5мГн), поэтому ток нарастает сравнительно медленно, не препятствуя слиянию капли с ванной. На втором этапе вступает в действие обмотка управления ОУ, в которойвозникает большая ЭДС, индуктированная всплеском тока в рабочей обмотке ОР. При этом тиристор V3 открывается, а V2— закрывается. Ток, протекающий по тиристоруV3 и обмотке ОУ, создает магнитный поток, насыщающий сердечник дросселя и резко снижающий его индуктивное сопротивление. Поэтому ток короткого замыкания на втором этапе нарастает быстрей, вызывая сбрасывание капли в ванну. Третий этап начинается со спада тока, который вызовет смену знака ЭДС обмотки ОУ. По этой причине закрывается тиристор V3, а V2 — открывается. При этом ЭДС обмотки ОУ будет подпитывать дугу, не допуская резкого провала сварочного тока после короткого замыкания, что способствует повышению устойчивости процесса, особенно при низких режимах.

Система управления выпрямителя, собранная на интегральных микросхемах, показана на функциональной схеме (см. рис. 2). Для получения крутопадающих характеристик (рис. 3,б) используется отрицательная обратная связь по току, одновременно с ней действует обратная связь по напряжению сети, что позволяет стабилизировать ток при колебаниях сетевого напряжения. При сварке с жесткими характеристиками (рис. 3,в) стабилизация напряжения обеспечивается обратными связями по сварочному и сетевому напряжению. Для получения небольшого заданного наклона характеристик используется также ослабленная обратная связь по току. При отсутствии сварочного тока обратная связь по сварочному напряжению отключена и тиристоры переходят к полнофазному включению (a = 0″), что обеспечивает высокое напряжение холостого хода при сварке на жестких характеристиках. В результате улучшается зажигание дуги и устойчивость при малых токах.

Другие выпрямители отличаются от ВДУ-505 конструктивным оформлением, схемой выпрямления, типом вентилей и способом сглаживания тока и напряжения. Одинаковую с ВДУ-505 схему имеют выпрямители ВДУ-506 и ВДУ-507. Ранее выпускался выпрямитель ВДУ-504 (см. рис. 1,б). В отличие от ВДУ-505 он имел два диапазона регулирования напряжения при соединении первичных обмоток в звезду или треугольник, линейный дроссель на две ступени индуктивности и схему управления на дискретных полупроводниковых элементах. Небольшие отличия имеются в конструкциях других универсальных выпрямителей. Выпрямитель ВДУ-306, кроме жесткой и крутопадающей характеристики, имеет еще и комбинированную характеристику—жесткую в диапазоне больших токов и крутопадающую (ри от -0,1 до -0,2 В/А) при малых токах. Это повышает эластичность дуги при малых токах, что особенно важно при выполнении вертикальных швов. Выпрямитель ВДГ-401 предназначен для механизированной сварки в углекислом газе и имеет только жесткие характеристики. Выпрямитель ВДУ-602 предназначен для комплектации двух режимного полуавтомата и позволяет дистанционно с пульта автомата включать тот или иной из двух заранее настроенных режимов. Выпрямитель ВДУ-1201, предназначенный для механизированной сварки в углекислом газе и под флюсом, имеет шести фазную кольцевую схему выпрямления, собранную из таблеточных тиристоров Т-500.

Технико-экономические показатели тиристорных выпрямителей лучше, чем у диодных. Так, коэффициен тполезного действия при номинальном режиме составляет около 0,7 — 0,85, а коэффициент мощности—0,6—0,65. При жестких характеристиках оба показателя выше,чем при крутопадающих. Удельный расход электроэнергии при ручной дуговой сварке составляет 4 — 5,5 кВт·ч на 1 кг расплавленного металла.

Выпрямитель с тиристорным регулятором в первичной цепи

Для выпрямителей на токи более 1000 А рациональна установка ти-ристорного регулятора в первичной цепи трансформатора подобно тому, как это было выполнено в конструкции тиристорного трансформатора. При этом снижается коммутируемый тиристорами ток, что позволяет использовать маломощные массовые тиристоры без их параллельного соединения.

Рассмотрим конструкцию мощного выпрямителя ВДУ-1604, предназначенного для механизированной сварки под флюсом и в углекислом газе.Первичные обмотки силового трансформатора T соединены треугольником, в каждую фазу включено по два тиристора, соединенных встречно-параллельно. Тиристорный блок VS используется для регулирования режима и формирования необходимой внешней характеристики. Функция выпрямления тока передана диодному блоку VD,включенному в цепь вторичных обмоток по кольцевой схеме. Кремниевые диоды изготавливают на большие токи, и их использование в мощном выпрямителе не встречает затруднений. Кольцевая схема их соединения требует сравнительно простого и экономичного трансформатора. В цепи выпрямленного тока установлен сглаживающий дроссель L из четырех секций. В диапазоне малых токов используют две последовательно соединенные секции с общей индуктивностью 0,5 мГн, при большом сварочном токе используют три параллельно соединенных секции с общей индуктивностью 0,07 мГн.

Тип внешней характеристики зависит от положения переключателя S. При первом положении в блок сравнения БС проходит только сигнал отрицательной обратной связи по току ОСТ, в этом случае формируются крутопадающие характеристики с наклоном от -0,02до -0,2 В/А. Во втором положении переключателя действуют оба сигнала обратной связи—по току ОСТ и напряжению ОСН, при этом пологопадающие внешние характеристики имеют наклон от 0,011 до-0,015 В/А. В третьем положении действует только обратная связь по напряжению,что приводит к формированию стабилизированных (жестких) характеристик с наклоном от -0,006 до -0,009 В/А. Схемой управления предусмотрено также форcирование режима в начале сварки. С этой целью зажигание дуги происходит при максимальном токе благодаря полно фазному включению тиристоров (a = 0). При появлении сварочного тока сигнал о начале сварки СНС с дросселя L поступает в блок сравнения БС, в результате чего форсирование прекращается.

В составе выпрямителя имеются также автоматический выключатель, вентилятор, приборы контроля и сигнализации. Схемой предусмотрена возможность параллельного соединения двух выпрямителей для получения тока до 3000 А с настройкой режима на одном из них.

Подобную конструкцию имеет и выпрямитель ВДУ-1202, однако в нем используется шести фазная нулевая схема соединения диодов и более простой сглаживающий дроссель.

Выпрямитель с транзисторным регулятором

Транзисторный регулятор, как правило, устанавливается в цепи постоянного, т.е. сварочного тока. Чаще всего в качестве такого регулятора используется силовой транзистор,включенный по схеме с общим эмиттером (ОЭ). При недостаточной мощности одиночного транзистора используют несколько параллельно соединенных транзисторов или транзисторных модулей, т.е. конструктивно и схемно оформленных устройств. Обычно транзистор работает в режиме ключа, т.е. при достаточной величине тока базы почти мгновенно из состояния отсечки переводится в состояние насыщения. Ключевой режим принят потому, что в отличие от режима усилителя потери энергии на транзисторе при этом минимальны, что гарантирует высокий КПДи сравнительно малый нагрев транзистора. Используются как биполярные, так и полевые транзисторы. Биполярные транзисторы имеют большую номенклатуру, лучше освоены и дешевле в производстве. Полевые МДП-транзисторы имеют больший КПД и более высокое быстродействие.


Рис. 4. Принципиальная схема (а) и осцилограммы при частотном (б)
и широтном (в) регулировании транзисторного источника

Регулирование напряжения выполняется частотно-импульсным (рис. 4,б) и широтно-импульсным (рис. 4,в) способами. Если при постоянной длительности включенного состояния транзистора tт увеличить частоту его включений (рис. 4,б), это вызовет сокращение интервала работы дросселя на разрядку tод и, следовательно, увеличение среднего напряжения на выходе источника Uи.

При широтном регулировании частота включения транзистора f, так же как и период следования импульсов T = 1 / f, остается постоянной.В этом случае при увеличении длительности включенного состояния транзистора tт напряжение источника Uи возрастает (рис.4,в).

Частотное регулирование технически проще осуществимо, при широтном регулировании меньше пульсации тока и выше быстродействие системы управления. Транзисторные источники наибольшее распространение нашли в составе установок для специальных способов сварки.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник

Трехфазный тиристорный управляемый выпрямитель

Представляю Вашему вниманию трехфазный управляемый выпрямитель на тиристорах, под управлением микроконтроллера ATmega8.

После публикации трехфазного регулятора мощности переменного тока оказалось, что для пользователей востребован трехфазный выпрямитель. Мне было несколько обращений на почту по этому поводу. По большей части нужен был выпрямитель для питания электролизеров, без особых требований к функциональности и стабильности, и один человек просил сделать ему источник для питания двигателя постоянного тока на 440В. Исходя из этого, и было собрано такое вот устройство.

Функциональные возможности минимальны – регулировка выходного напряжения потенциометром, кнопка Пуск/Стоп, светодиодный индикатор состояния устройства , вольтметр(больше как индикатор) выходного напряжения на семисегментном индикаторе. При включении проходит тест правильности чередования фаз, в работе контролируется наличие всех трех фаз. Обратной связи выпрямитель не имеет. Каких либо настроек не требует, при правильной сборке начинает работать сразу.

Внимание! В схеме присутствуют опасное для жизни напряжение! Для опытных пользователей!

Схема устройства для удобства разделена на функциональные блоки. Это дает возможность вносить дальнейшие изменения и улучшения в конструкцию. В дальнейшем планирую добавить обратную связь и изменить схему измерения выпрямленного напряжения.

Читайте также:  Установить тока лайф ворлд

Устройство по сути любительская разработка и не претендует на звание серьезного промышленного образца. Поэтому если вы будете повторять эту конструкцию , то вся ответственность по возникшим сбоям лежит только на вас.

Теперь к описанию.

Силовая схема.

Вариант 1- авторский, был собран и проверен. Плата и описание работы ссылаются на этот вариант схемы.

Вариант 2. не собирался не проверялся, привожу просто для ознакомления, собрать его сложнее , но работать он будет.

Авторский вариант построен на мощных оптотиристорных модулях МТОТО 80 — 12. Каждый модуль содержит два встречно-параллельных восьмидесятиамперных оптотиристора. Используется три модуля, включенных по схеме моста Ларионова. Выбор именно такой силовой схемы сделан по трем причинам .

Первое — пульсации выпрямленного напряжения меньше чем в схеме с тремя вентилями, соответственно уменьшаются масса и габариты выходных фильтров.

Второе – не нагружается нулевой провод, вся нагрузка равномерно распределится по фазам, в условиях плохой сети это особенно важно, так как чаще всего перегружен именно нулевой проводник.

И третье, в такой схеме, теоретически, возможно получать выпрямленное напряжение в диапазоне 0 — 540 вольт. На практике границы будут меньше, так как при вертикальном принципе управления тиристорами возможно перерегулирование на углах управления близких к предельным. Чтобы избежать этого эффекта, нижняя граница ограничена 10-15 вольтами. Верхняя ограничена только самой сетью. При необходимости можно скорректировать диапазон установкой сопротивлений на задающий потенциометр.

Максимальная мощность в таких схемах ограничена только максимально допустимым током силовых ключей. Использование мной восьмидесятиамперных ключей обусловлено большим их количеством в запасах.Так же не рекомендуется использовать ключи классом по напряжению ниже 9 (900 вольт). Оптимально использование классов 10-12 (1000-1200 вольт), особенно при питании двигателя постоянного тока. Тиристоры хоть и устойчивы к перегрузкам и перенапряжениям , но в наших сетях иногда выходят из строя. Поэтому лучше выбирать их с запасом, неплохо еще поставить по входу токоограничивающие трехфазные дросселя или реакторы, а по выходу дроссель на постоянный ток. При подключении двигателя постоянного тока, который сам обладает индуктивностью , подключать на выход дросселя не нужно, но рекомендую подключить параллельно двигателю мощный резистор , для лучшего затормаживания. Подробнее о всех нюансах можно почитать например в [1], или найти в сети , информации по этому вопросу много.

Обязательны к установке RC цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ 0,1мкф 500в. Экономить на RC цепях не рекомендую, без них срок жизни тиристоров сильно укоротится. Устанавливать их желательно как можно ближе к силовым выводам. На моей практике часто случались выходы из строя RC цепей в различных устройствах с тиристорами. Замечено что наиболее надежно использование мощных проволочных резисторов ПЭВ, и т.п. и конденсаторов на бумажной основе МБГО, МБГЧ и т.п. И наоборот резисторы типа МЛТ и конденсаторы К73-хх живут в этих схемах очень недолго. При работе , резисторы и конденсаторы могут сильно нагреваться , учитывайте это при монтаже .

Тиристорные модули установлены на радиатор, при работе греются, чем мощнее нагрузка, тем больший потребуется теплоотвод.

Управляющие импульсы, от микроконтроллера усиливаются составными транзисторами Т7-Т12. Питание оптронов либо трансформаторов импульсов осуществляется нестабилизированным напряжением 15в.

На схеме не показан, но должен быть установлен, на стороне сети ,автоматический выключатель под рассчитанную нагрузку, так же желательно установить отдельный автоматический выключатель , с малым током срабатывания, на фазы блока синхронизации и блок питания.

Устройство подключается к сети 3х380 вольт с соблюдением чередования фаз А-В-С, при неправильном чередовании будет выдаваться ошибка. Обращайте внимание на правильность фазировки силовой схемы и схемы синхронизации , фазы должны быть подключены именно так как на схеме.

Нулевой провод нужен только для подключения трансформатора блока питания, если его первичная обмотка выполнена на 220в.

Если корпус изготовлен из металла ,то защитное заземление корпуса устройства выполнять обязательно!

Схема источника питания

Схема источника питания

В пояснении, думаю, не нуждается, используется два напряжения – нестабилизированное 15вольт и стабилизированное 5вольт, потребление в авторском варианте составляло до 350мА, в большей степени зависит от светодиодного индикатора и используемых силовых элементов. Можно использовать любые доступные детали, особых требований нет. Так же можно использовать любой подходящий трансформатор на 220-380 вольт первичного напряжения и на 12-24 вторичного. Максимальное вторичное напряжение ограничено входным напряжением пятивольтового стабилизатора, нестабилизированное напряжение используется для усилителей управляющих импульсов. Стабилизатор типа 7805, установлен на плате блока управления, с радиатором в виде медного профиля .

Схема блока синхронизации

Схема блока синхронизации

Схема содержит три одинаковых канала. Каждый канал подключен между двумя фазами, то есть . включены треугольником. В момент перехода межфазного напряжения через нуль, формируется импульс, используемый для синхронизации в МК. Детали не критичны, но нужно придерживаться номиналов, для более точной синхронизации. Если есть двухканальный осциллограф, и делитель 1:100, можно подбором резисторов R33 R40 R47,выставить более точно попадание импульса синхронизации в момент пересечения нуля. Для этого нужно временно переключить каналы звездой , и встав одним щупом между фазой и землей, другим встать на выходе между общим схемы и выходом оптрона. Делать это необходимо с особой осторожностью, так как схема гальванически связана с сетью, есть риск спалить плату и осциллограф. Необходимости в этом нет, при соблюдении всех номиналов , точность попадания вполне достаточна, собранные мной четыре платы нормально работали и без подстройки.

Используемые оптроны АОТ101 можно заменить любыми аналогичными, лишь бы были рассчитаны на напряжение не менее 1000в. Можно найти в сети более простую схему детектора нуля, и собирать ее. Есть более простые схемы , разницы нет , лишь бы выдавала синхроимпульс в момент перехода через нуль .Очень желательно использовать предохранители, как показано в схеме, и использовать отдельный автоматический выключатель на этот блок.

Блок управления и индикации

Микроконтроллер ATmega8 выдает импульсы управления на тиристоры, и обеспечивает индикацию режимов работы. Импульсы, усиливаются составными транзисторами Т7-Т12.

О принципах управления трехфазным выпрямителем можно прочитать в [1], здесь расписывать не буду. Микроконтроллер работает от внутреннего генератора, тактовая 8мгц. Фьюзы приведены ниже на картинке. Семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом, на четыре знака. Управляется через четыре анодных ключа Т1-Т4 , сегменты переключаются сдвиговым регистром. Можно не устанавливать индикатор, регистр и связанные с ними элементы, если не требуется вольтметр. Можно установить любой доступный тип индикаторов, но потребуется подбор токоограничивающих резисторов в цепи сегментов. Светодиод HL1 показывает основные состояния устройства.

Пуск и остановка осуществляется переключателем SB1. Замкнутое состояние – Пуск, разомкнутое — Стоп. Регулировка выходного напряжения от потенциометра R30. Ручку резистора необходимо изолировать ! Гасящие резисторы делителя выходного напряжения R7, R9 -использовать мощностью не менее 1Вт, для исключения пробоя по поверхности. Выходное напряжение измеряется на резисторе R8, без развязки, поэтому вся схема гальванически связана с сетью ! И хотя ток ограничен на безопасном уровне резисторами R7, R9, необходимо соблюдать осторожность. Выпрямленное тиристорами напряжение имеет сложную форму , для его измерения правильным было бы использовать внешний среднеквадратичный преобразователь на ОУ , но не хотелось усложнять схему. В итоге применено несколько нестандартное подключение АЦП МК, и программная фильтрация показаний, с усреднением. Из минусов такого решения – требуется подбор R8 , в моем варианте он состоял из двух резисторов – постоянного на 3.5К и подстроечного на 1К. Можно программными фильтрами добиться и более высокой точности , но быстродействия данного МК и так еле хватает на все задачи. Точность получается в пределах 1-3 вольта , в зависимости от того на какой точке диапазона (10-540В) происходит измерение.На видео видно на сколько расхождение с показаниями мультиметра ,но на практике этого оказалось вполне достаточно. На таких напряжениях большая точность и не требуется, тем более из за отсутствия обратной связи выходное напряжение будет зависеть от нагрузки и от максимального напряжения сети.

Дроссель L1 любой малогабаритный, нужен для лучшей фильтрации опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Емкости С5 , С6 нужно установить, как можно ближе к выводам питания МК и регистра. В условиях больших токов и сильных помех они необходимы для надежной работы устройства. В моем варианте они напаяны на ножки микросхем.

Описание работы

При включении МК проверяет наличие импульсов синхронизации и состояние переключателя SB1.

Светодиод моргает с низкой частотой , на индикаторе Е380. При появлении импульсов синхронизации происходит проверка чередования фаз, А-В-С, если чередование верное устройство готово к работе. При обратном чередовании на индикаторе высвечивается АСВ, светодиод моргает с высокой частотой. Необходимо поменять местами любые две фазы.

Если SB1 в разомкнутом состоянии импульсы управления не выдаются, на индикатор выводится сообщение OFF , светодиод HL1 мигает с низкой частотой. Если замкнуть SB1 начнут поступать импульсы управления , светодиод HL1 светится постоянно. Если при пуске либо во время работы пропадут синхронизирующие импульсы более чем на 7 секунд, индикатор отобразит цифры 380 , светодиод будет моргать с низкой частотой, импульсы управления тиристорами снимутся. При появлении импульсов синхронизации , устройство вернется к работе. Тем самым осуществляется контроль за пропаданием фаз сети.

Печатные платы в формате Sprint Layout, для блока синхронизации и блока управления , обе в архиве, остальной монтаж выполнен навесным. Платы односторонние , плата блока управления содержит три перемычки,одна из которых под микросхемой , ее нужно запаивать до установки микросхемы. Каких либо уникальных деталей нет, все было собрано практически из распая. Разводка выполнена под семисегментный светодиодный индикатор e40561-l-0-0-w ,они доступны в интернет магазинах. Микроконтроллер ATMEGA8L-8PU , сдвиговый регистр 74LS595.

Транзисторы используются составные КТ973 и КТ972 , заменить их можно на аналогичные импортные. В блоке синхронизации стоят КТ3102, но будут работать и КТ315 , проверено. Высоковольтные диоды 1n4007 либо КД209в , можно и другие , требование одно — напряжение не менее 800В. Слаботочные диоды кд521 , либо любые аналогичные. Остальные детали совсем не критичны. Платы я сверлил на миниатюрном сверлильном станочке, поэтому контактные площадки сделаны небольшими , под ручную сверлилку, возможно, придется их увеличить . Плату синхронизации желательно покрыть защитным лаком, для исключения пробоя . Микроконтроллер установлен в панель, программируется отдельно до установки в плату. Все резисторы – выводные МЛТ-0,125 , либо им подобные. Резисторы находящиеся под высоким напряжением желательно использовать типов МЛТ -0,5 либо подобных, или набирать из нескольких включенных последовательно. Это нужно потому, что в сети могут возникать кратковременные перенапряжения большой амплитуды, и может произойти пробой резисторов по поверхности.

Токоограничивающие резисторы R10-R15 типа МЛТ-1 , они установлены непосредственно на выводах оптронных модулей. Резисторы делителя выходного напряжения R7, R8, R9 (см силовую схему вар 1.) для АЦП МК, изначально установлены на плате блока управления , решение это не совсем удачное, так как на плате будет напряжение в 540В, но сокращается длина проводника от ножки входа АЦП МК к делителю, и меньше ловится помех. Если нежелательно иметь на плате высокое напряжение, можно вынести и смонтировать отдельно.

Микроконтроллер прошивался программатором «пять проводков» под управлением широко известной бесплатной программой Uniprof

Прошивка в приложенном архиве, там же и файлы печатных плат.

Фьюзы даны для установки в этой программе, при использовании другой — Помните, что включенный FUSE — это FUSE без галочки!

Устройство было собрано для проверки работоспособности, прикладываю осциллограммы выходного напряжения на различных углах регулирования, нагрузка чисто активная 4Квт.

Осциллограмма синхроимпульсов с одной из фаз относительно общего.

Сдвоенные управляющие импульсы на коллекторе Т7, относительно общего.

Литература

  • 1. Чернов Е.А., Кузьмин В.П., Синичкин С.Г. «Электроприводы подач станков с ЧПУ» справочное пособие 1986г.
  • 2. В.М. Яров «Источники питания электрических печей сопротивления» учебное пособие 1982г.
  • 3. А.В.Евстифеев «Микроконтроллеры AVR семейства Mega, руководство пользователя » 2007г.

Источник

Тиристорные регуляторы мощности

Тиристорные регуляторы мощностиТиристорные 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.

Конечно, современные паяльные станции оснащены паяльниками с термостабилизацией, цифровой индикацией и регулировкой температуры нагрева, но они слишком дороги по сравнению с обычным паяльником. Поэтому, при незначительных объемах паяльных работ, вполне можно обойтись обычным паяльником с тиристорным регулятором мощности. При этом качество пайки, может быть не сразу, получится отличным, — достигается практикой.

Другая область применения тиристорных регуляторов это управление яркостью светильников. Такие регуляторы продаются в магазинах электротоваров в виде обычных настенных выключателей с крутящейся ручкой. Но вот тут-то покупателя и подстерегает засада: современные энергосберегающие лампы (часто в литературе их называют компактные люминесцентные лампы (КЛЛ)) просто не хотят работать с такими регуляторами.

Такой же непредсказуемый вариант получится и в случае регулирования яркости светодиодных ламп. Ну, не предназначены они для такой работы и все тут: выпрямительный мост с электролитическим конденсатором, расположенный внутри КЛЛ, просто не даст работать тиристору. Поэтому регулируемый «ночник» с таким регулятором можно создать только с использованием лампы накаливания.

Читайте также:  Определить мощность по трех фазному току

Однако, здесь следует вспомнить про электронные трансформаторы, предназначенные для питания галогенных ламп, а в радиолюбительских конструкциях в самых разных целях. В этих трансформаторах после выпрямительного моста почему-то, видимо в целях экономии, или просто для уменьшения габаритов, не устанавливается электролитический конденсатор. Именно эта «экономия» позволяет регулировать яркость ламп с помощью тиристорных регуляторов.

Если напрячь фантазию, то можно найти еще немало областей, где требуется применение тиристорных регуляторов. Одна из таких областей это регулирование оборотов электроинструмента: дрелей, болгарок, шуроповертов, перфораторов и т.д. и т.п. Естественно, что тиристорные регуляторы находятся внутри инструментов, работающих от сети переменного тока. Смотрите — Виды и устройство регуляторов оборотов коллекторных двигателей .

Весь такой регулятор встроен в кнопку управления и представляет собой небольших размеров коробочку, вставляемую в рукоятку дрели. Степень нажатия на кнопку определяет частоту вращения патрона. В случае выхода из строя меняется вся коробочка сразу: при всей кажущейся простоте конструкции такой регулятор абсолютно не пригоден для ремонта.

В случае инструментов, работающих на постоянном токе от аккумуляторов, регулирование мощности производится с помощью транзисторов MOSFET методом широтно-импульсной модуляции. Частота ШИМ достигает нескольких килогерц, поэтому сквозь корпус шуроповерта можно услышать писк высокой частоты. Это пищат обмотки двигателя.

Но в этой статье будут рассмотрены только тиристорные регуляторы мощности. Поэтому, прежде, чем рассматривать схемы регуляторов, следует вспомнить, как же работает тиристор.

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.

ТиристорТиристор на схемах

Рисунок 1. Тиристор

Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на обычный диод. 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.

Подключение тиристора

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.

Фазовое регулирование

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, симисторы 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.

Схема простейшего тиристорного регулятора мощности

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.

Тиристорный регулятор мощности

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.

Светорегулятор

Схема представляет собой светорегулятор. Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD1-VD4, после которого пульсирующее напряжение подается на лампу EL1, тиристор VS1, а через резисторы R3, R4 на стабилитроны VD5, VD6, от которых питается схема управления. Использование в схеме выпрямительного моста позволяет осуществить регулирование положительного и отрицательного полупериодов с использованием всего одного тиристора.

Схема управления выполнена также на двухбазовом транзисторе КТ117А. Скорость заряда времязадающего конденсатора C2 изменяется резистором R6 отчего меняется фаза управляющего тиристором сигнала.

По поводу этой схемы можно сделать небольшое замечание: ток в нагрузке состоит лишь из положительных полупериодов сети, полученных после мостового выпрямителя. Если требуется в нагрузке получить положительную и отрицательную части синусоиды, достаточно, ничего не меняя в схеме, включить нагрузку сразу после предохранителя. На место нагрузки следует просто установить перемычку. Такая схема показана на рисунке 7.

Схема тиристорного регулятора мощности

Рисунок 7. Схема тиристорного регулятора мощности

Транзистор КТ117 изобретение советской электронной промышленности и зарубежных аналогов не имеет, но при необходимости может быть собран из двух транзисторов по схеме, показанной на рисунке 8. Вдруг кто-то возьмется собирать подобную схему, где такой транзистор взять?

Аналог КТ117

В схемах, показанных на рисунках 6 и 7, тиристор используется в сочетании с диодным мостом. Такое включение дает возможность с помощью одного тиристора управлять обоими полупериодами переменного напряжения. Но вместе с тем появляются 4 дополнительных диода, что в целом увеличивает габариты конструкции.

Источник