Тиристорные регуляторы напряжения представляют собой устройства, предназначенные для регулирования частоты вращения и момента электродвигателей. Регулирование частоты вращения и момента производится за счет изменения напряжения, подводимого к статору двигателя, и осуществляется изменением угла открытия тиристоров. Такой способ управления электродвигателем получил название фазового управления. Этот способ является разновидностью параметрического (амплитудного) управления.
Могут выполняться как с замкнутой, так и с разомкнутой системой регулирования. Регуляторы с разомкнутой системой не обеспечивают удовлетворительного качества процесса регулирования частоты вращения. Основное их назначение- регулирование момента для получения нужного режима работы привода в динамических процессах.
В силовую часть однофазного тиристорного регулятора напряжения включены два управляемых тиристора, которые обеспечивают протекание электрического тока на на1рузке в двух направлениях при синусоидальном напряжении на входе.
Тиристорные регуляторы с замкнутой системой регулирования используются, как правило, с отрицательной обратной связью по скорости, что позволяет иметь достаточно жесткие механические характеристики привода в зоне малых частот вращения.
Наиболее эффективно использование тиристорных регуляторов для регулирования частоты вращения и момента .
Силовые цепи тиристорных регуляторов
На рис. 1, а-д показаны возможные схемы включения выпрямительных элементов регулятора в одной фазе. Наиболее распространенной из них является схема на рис1,а. Она может быть использована при любой схеме соединения обмоток статора. Допустимый ток через нагрузку (действующее значение) в этой схеме в режиме непрерывного тока равен:
где I т - допустимое среднее значение тока через тиристор.
Максимальное прямое и обратное напряжения тиристора
где k
зап - коэффициент запаса, выбираемый с учетом возможных коммутационных перенапряжений в схеме; - действующее значение линейного напряжения сети.
Рис. 1. Схемы силовых цепей тиристорных регуляторов напряжения.
В схеме на рис. 1,б имеется только один тиристор, включенный в диагональ моста из неуправляемых диодов. Соотношение между токами нагрузки и тиристора для этой схемы имеет вид:
Неуправляемые диоды выбираются на ток вдвое меньший, чем для тиристора. Максимальное прямое напряжение на тиристоре
Обратное напряжение на тиристоре близко к нулю.
Схема на рис. 1,б имеет некоторые отличия от схемы на рис. 1,а по построению системы управления. В схеме на рис. 1, а управляющие импульсы на каждый из тиристоров должны следовать с частотой питающей сети. В схеме на рис. 1,б частота импульсов управления вдвое больше.
Схема на рис. 1, в, состоящая из двух тиристоров и двух диодов, по возможности управления, загрузке, по току и максимальному прямому напряжению тиристоров аналогична схеме на рис. 1, а.
Обратное напряжение в этой схеме из-за шунтирующего действия диода близко к нулю.
Схема на рис. 1, г по току и максимальному прямому и обратному напряжению тиристоров аналогична схеме на рис. 1, а. Схема на рис. 1, г отличается от рассмотренных требованиями к системе управления по обеспечению необходимого диапазона изменения угла регулирования тиристоров. Если угол отсчитывать от нуля фазного напряжения, то для схем на рис. 1, а-в справедливо соотношение
где φ - фазовый угол нагрузки.
Для схемы на рис. 1, г аналогичное соотношение приобретает вид:
Необходимость увеличения диапазона изменения угла усложняет . Схема на рис. 1, г может быть применена при включении обмоток статора в звезду без нулевого провода и в треугольник с включением выпрямительных элементов в линейные провода. Область применения указанной схемы ограничена нереверсивными, а также реверсивными электроприводами с контактным реверсом.
Схема на рис. 4-1, д по своим свойствам аналогична схеме на рис. 1, а. Ток симистора здесь равен току нагрузки, а частота импульсов управления равна двойной частоте питающего напряжения. Недостаток схемы на симисторах - значительно меньше, чем у обычных тиристоров, допустимые значения du/dt и di/dt .
Для тиристорных регуляторов наиболее рациональна схема на рис. 1, а с двумя встречно-параллельно включенными тиристорами.
Силовые схемы регуляторов выполняются с встречно-параллельно включенными тиристорами во всех трех фазах (симметричная трехфазная схема), в двух и одной фазах двигателя, как показано на рис. 1, е, ж и з соответственно.
В регуляторах, применяемых в крановых электроприводах, наибольшее распространение получила симметричная схема включения, показанная на рис. 1, е, которая характеризуется наименьшими потерями от высших гармонических токов. Более высокие значения потерь в схемах с четырьмя и двумя тиристорами определяются несимметрией напряжения в фазах двигателя.
Основные технические данные тиристорных регуляторов серии РСТ
Тиристорные регуляторы серии РСТ представляют собой устройства для изменения (по заданному закону) напряжения, подводимого к статору асинхронного двигателя с фазным ротором. Тиристорные регуляторы серии РСТ выполняются по симметричной трехфазной схеме включения (рис. 1, е). Применение регуляторов указанной серии в крановых электроприводах позволяет осуществлять регулирование частоты вращения в диапазоне 10:1 и регулирование момента двигателя в динамических режимах при пуске и торможении.
Тиристорные регуляторы серии РСТ выполняются на длительные токи 100, 160 и 320 А (максимальные токи соответственно 200, 320 и 640 А) и напряжение 220 и 380 В переменного тока. Регулятор представляет собой собранные на общей раме три силовых блока (по числу фаз встречно-параллельно включенных тиристоров), блок датчиков тока и блок автоматики. В силовых блоках используются таблеточные тиристоры с охладителями из тянутого алюминиевого профиля. Охлаждение воздушное - естественное. Блок автоматики - единый для всех исполнений регуляторов.
Тиристорные регуляторы выполнены со степенью защиты IP00 и предназначены для установки на стандартные рамы магнитных контроллеров типа ТТЗ, которые по конструкции аналогичны контроллерам серий ТА и ТСА. Габаритные размеры и масса регуляторов серии РСТ указаны в табл. 1.
Таблица 1 Габаритные размеры и масса регуляторов напряжения серии РСТ
В магнитных контроллерах ТТЗ установлены контакторы направления для реверсирования двигателя, контакторы роторной цепи и другие релейно-контактные элементы электропривода, осуществляющие связь командоконтроллера с тиристорным регулятором. Структура построения системы управления регулятора видна из функциональной схемы электропривода, показанной на рис. 2.
Трехфазный симметричный тиристорный блок Т управляется системой фазового управления СФУ. С помощью командоконтроллера КК в регуляторе производится изменение задания скорости БЗС, Через блок БЗС в функции времени осуществляется управление контактором ускорения КУ2 в цепи ротора. Разность сигналов задания и тахогенератора ТГ усиливается усилителями У1 и УЗ. К выходу усилителя УЗ подключено логическое релейное устройство, имеющее два устойчивых состояния: одно соответствует включению контактора направления вперед KB, второе - включению контактора направления назад КН.
Одновременно с изменением состояния логического устройства реверсируется сигнал в цепи управления РУ. Сигнал с согласующего усилителя У2 суммируется с сигналом задержанной обратной связи по току статора двигателя, который поступает с блока токоограничения ТО и подается на вход СФУ.
На блок логики БЛ воздействует также сигнал с блока датчиков тока ДТ и блока наличия тока НТ, запрещающий переключение контакторов направления под током. Блоком БЛ осуществляется также нелинейная коррекция системы стабилизации частоты вращения для обеспечения устойчивости работы привода. Регуляторы могут быть использованы в электроприводах механизмов подъема и передвижения.
Регуляторы серии РСТ выполнены с системой ограничения тока. Уровень токоограничения для защиты тиристоров от перегрузок и для ограничения момента двигателя в динамических режимах плавно изменяется от 0,65 до 1,5 номинального тока регулятора, уровень токоограничения для максимально-токовой защиты- от 0,9 до. 2,0 номинального тока регулятора. Широкий диапазон изменения уставок защиты обеспечивает работу регулятора одного типоразмера с двигателями, отличающимися по мощности примерно в 2 раза.
Рис. 2. Функциональная схема электропривода с тиристорным регулятором типа РСТ: КК - командоконтроллер; ТГ - тахогенератор; КН, KB - контакторы направления; БЗС - блок задания скорости; БЛ - блок логики; У1, У2. УЗ - усилители; СФУ- система фазового управления; ДТ - датчик тока; ИТ - блок наличия тока; ТО - блок токоограничения; МТ - блок защиты; КУ1, КУ2 - контакторы ускорения; КЛ - линейный контактор: Р - рубильник.
Рис. 3. Тиристорный регулятор напряжения РСТ
Чувствительность системы наличия тока составляет 5-10 А действующего значения тока в фазе. В регуляторе предусмотрены также защиты: нулевая, от коммутационных перенапряжений, от исчезновения тока хотя бы в одной из фаз (блоки ИТ и МТ), от помех радиоприему. Быстродействующими плавкими предохранителями типа ПНБ 5М осуществляется защита от токов короткого замыкания.
Тиристорные регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 - 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.
И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.
Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.
И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.
Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Тиристор
Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на . Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.
Рисунок 2.
Как включить светодиод
Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.
Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.
Нажали - отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.
Маленькое замечание
Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.
Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.
Как закрыть тиристор
Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод - катод.
Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.
Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего - лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.
Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.
Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.
Третий способ выключения тиристора
Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.
При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.
Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование
Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Фазовое регулирование
В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).
Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.
На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.
На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.
Схемы включения тиристоров
После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности . Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов . При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.
Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.
Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно - параллельное включение тиристоров, или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.
Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.
Простейший тиристорный регулятор
Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности
Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.
Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.
К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.
Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.
Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности
Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.
Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.
Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.
Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.
На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.
Рисунок 6.
Тиристорные регуляторы мощности применяются как в быту (в аналоговых паяльных станциях, электронагревательных приборах и т.д.), так и на производстве (например, для запуска мощных силовых установок). В бытовых приборах, как правило, устанавливаются однофазные регуляторы, в промышленных установках чаще применяются трехфазные.
Эти устройства представляют собой электронную схему, работающую по принципу фазового регулирования, для управления мощностью в нагрузке (подробнее об этом методе будет рассказано ниже).
Принцип работы фазового регулирования
Принцип регулирования данного типа заключается в том, что импульс, открывающий тиристор, имеет определенную фазу. То есть, чем дальше он располагается от конца полупериода, тем большей амплитуды будет напряжение, поступающее на нагрузку. На рисунке ниже мы видим обратный процесс, когда импульсы поступают практически под окончание полупериода.
На графике показано время, когда тиристор закрыт t1 (фаза управляющего сигнала), как видите он открывается практически под конец полупериода синусоиды, в результате амплитуда напряжения минимальна, а следовательно, мощность в подключенной к прибору нагрузке будет незначительной (близкой к минимальной). Рассмотрим случай, представленный на следующем графике.
Здесь мы видим, что импульс, открывающий тиристор, приходится на середину полупериода, то есть регулятор будет выдавать половинную мощность от максимально возможной. Работа на мощности, близкой к максимальной, отображена на следующем графике.
Как видно из графика, импульс приходится на начало синусоидального полупериода. Время, когда тиристор находится в закрытом состоянии (t3) — незначительное, поэтому в данном случае мощность в нагрузке приближается к максимальной.
Заметим, что трехфазные регуляторы мощности работают по такому же принципу, но они управляют амплитудой напряжения не в одной, а сразу в трех фазах.
Такой метод регулирования прост в реализации и позволяет точно изменять амплитуду напряжения в диапазоне от 2 до 98 процентов от номинала. Благодаря этому становится возможным плавное управление мощностью электроустановок. Основной недостаток устройств данного типа — создание высокого уровня помех в электросети.
В качестве альтернативы, позволяющей сократить помехи, можно переключать тиристоры, когда синусоида переменного напряжения проходит через ноль. Наглядно работу такого регулятора мощности можно посмотреть на следующем графике.
Обозначения:
- A – график полуволн переменного напряжения;
- B – работа тиристора при 50% от максимальной мощности;
- C – график, отображающий работу тиристора при 66%;
- D – 75% от максимума.
Как видно из графика, тиристор «отрезает» полуволны, а не их части, что минимизирует уровень помех. Недостаток такой реализации – невозможность плавного регулирования, но для нагрузки с большой инерционностью (например, различных нагревательных элементов) этот критерий не основной.
Видео: Испытания тиристорного регулятора мощности
Схема простого регулятора мощности
Регулировать мощность паяльника можно используя для этой цели аналоговые или цифровые паяльные станции. Последние стоят достаточно дорого, и собрать их, не имея опыта, не просто. В то время как аналоговые устройства (являющиеся по сути регуляторами мощности) не составит труда сделать своими руками.
Приведем несложную схему прибора на тиристорах, благодаря которому можно регулировать мощность паяльника.
Радиоэлементы, обозначенные на схеме:
- VD – КД209 (или близкий ему по характеристикам)
- VS- KУ203В или его аналог;
- R 1 – сопротивление с номиналом 15кОм;
- R 2 – резистор переменного типа 30кОм;
- С –емкость электролитического типа ч номиналом 4,7мкФ и напряжением от 50В;
- R n – нагрузка (в нашем случае в качестве нее выступает паяльник).
Данное устройство регулирует только положительный полупериод, поэтому минимальная мощность паяльника будет вполовину меньше номинальной. Управляется тиристор через цепь, включающую в себя два сопротивления и емкость. Время зарядки конденсатора (оно регулируется сопротивлением R 2) влияет на длительность «открытия» тиристора. Ниже показан график работы устройства.
Пояснение к рисунку:
- график A – показывает синусоиду переменного напряжения, поступающего на нагрузку Rn (паяльник) при сопротивлении R2 близком к 0 кОм;
- график B – отображает амплитуду синусоиды поступающего на паяльник напряжения при сопротивлении R2 равном 15 кОм;
- график C, как видно из него, при максимальном сопротивлении R2 (30 кОм) время работы тиристора (t 2) становится минимальным, то есть паяльник работает с мощностью примерно около 50% от номинальной.
Схема устройства довольно простая, поэтому собрать ее самостоятельно смогут даже те, кто не очень хорошо разбирается в схемотехнике. Необходимо предупредить, что при работе данного прибора в его цепи присутствует опасное для жизни человека напряжение, поэтому все его элементы должны быть надежно заизолированы.
Как уже описывалось выше, устройства, работающие по принципу фазового регулирования, являются источником сильных помех в электросети. Существует два варианта выхода из подобной ситуации:
Регулятор работающий без помех
Ниже представлена схема регулятора мощности, не создающего помехи, поскольку он не «обрезает» полуволны, а «отрезает» их определенное количество. Принцип работы такого устройства мы рассматривали в разделе «Принцип работы фазового регулирования», а именно, переключение тиристора через ноль.
Также как и в предыдущей схеме, регулировка мощности происходит в диапазоне от 50 процентов до величины близкой к максимальной.
Перечень используемых в приборе радиоэлементов, а также варианты их замены:
Тиристор VS – КУ103В;
Диоды:
VD 1 -VD 4 – КД209 (в принципе можно использовать любые аналоги, которые допускают величину обратного напряжения более 300В, а ток свыше 0,5А); VD 5 и VD 7 – КД521 (допускается ставить любой диод импульсного типа); VD 6 – KC191 (можно использовать аналог с напряжением стабилизации равным 9В)
Конденсаторы:
С 1 – электролитического типа с емкостью 100мкФ, рассчитанный на напряжение не менее 16В; С 2 – 33Н; С 3 – 1мкФ.
Резисторы:
R 1 и R 5 – 120кОм; R 2 -R 4 – 12кОм; R 6 – 1кОм.
Микросхемы:
DD1 — K176 ЛЕ5 (или ЛА7); DD2 –K176TM2. В качестве альтернативы можно использовать логику серии 561;
R n – паяльник, подключенный в качестве нагрузки.
Если при сборке тиристорного регулятора мощности не было допущено ошибок, то устройство начинает работать сразу после включения, настройка для него не требуется. Имея возможность измерить температуру жала паяльника, можно сделать градацию шкалы для резистора R 5 .
В том случае, когда устройство не заработало, рекомендуем проверить правильность распайки радиоэлементов (не забудьте перед этим отключить его от сети).
Содержание:
Напряжение – это фактически и есть электричество. Оно существует как первородная сила, воздействие которой на любые объекты влечет за собой последствия, обусловленные их свойствами. Поэтому возможность управлять напряжением, его величиной означает влиять на ход множества процессов в электрических цепях. А это самое главное в прикладной электротехнике. Далее расскажем о том, как управлять электричеством, пользуясь тиристором.
Такие разные напряжения
Напряжение может быть с разными свойствами. Поэтому даже законы, описывающие те или иные явления, связанные с электричеством, ограничены в применении. Например, закон Ома для участка цепи. И таких примеров множество. Поэтому, оговаривая свойства электрического регулятора, необходимо точно указывать, какое именно напряжение подразумевается, В общем рассматриваются две главные его разновидности – постоянное и переменное.
Они, как начало и конец некоего интервала, внутри которого расположены в огромном разнообразии импульсные сигналы. И ранее, и сейчас, и, скорее всего, в будущем регулировать величину их всех может лишь один элемент – резистор. То есть регулируемый резистор – реостат. Он всегда обеспечивает один и тот же эффект, независимо от вида напряжения. Причем в любой момент времени. А момент времени применительно к переменному или импульсному сигналу, – это основа его определения.
Какое напряжение регулирует тиристор
Ведь в зависимости от него величина напряжения меняется. Резистором можно управлять сигналом в любой момент времени. А вот тиристором такой результат невозможно получить, потому что он ключ. У него только два состояния:
- с минимальным сопротивлением, когда ключ замкнут;
- с максимальным сопротивлением, когда ключ разомкнут.
Следовательно, тиристор для мгновенного значения напряжения не может рассматриваться как его регулятор. Только в пределах достаточно большого интервала времени, при котором учитываются многие мгновенные значения сигнала, тиристор может рассматриваться как регулятор напряжения. Поскольку такая величина именуется как действующее значение, будет правильным уточнить определение регулятора как
- тиристорный регулятор действующего напряжения.
Как соединить ключ и нагрузку
Наиболее привлекательной характеристикой тиристоров с самого начала их появления была стойкость к силе тока большой величины. Как следствие, эти полупроводниковые приборы нашли широкое применение во множестве мощных устройств. Однако в любом случае, когда рассматривается электрический регулятор, существует электрическая цепь с нагрузкой. В эквиваленте нагрузка представляется как резистор с некоторым импедансом.
Чтобы напряжение на этом резисторе изменилось, необходимы дополнительные элементы, которые соединены с ним либо последовательно, либо параллельно. Первые тиристоры были незапираемыми. Их можно было открыть (включить) в любой момент. Но для выключения необходимо было уменьшить силу тока до некоторого минимального значения. По этой причине незапираемые тиристоры применяются и по сей день лишь в электрических цепях переменного или выпрямленного тока.
На постоянном напряжении они тоже использовались, но весьма ограниченно. Например, в первых фотовспышках с управляемой силой света. Свет лампы фотовспышки, который путем управления тиристором формирует необходимое освещение объекта, дает наглядное представление о тиристоре как об электрическом регуляторе для лампы – нагрузки. Энергию для этого обеспечивал конденсатор, который разряжался через специальную лампу. И в этом случае получалась вспышка наибольшей силы.
Но для того чтобы лампа давала меньше света, параллельно с ней включался тиристор. Лампа включалась и освещала объект. А специальный оптический датчик со схемой управления следил за его характеристиками. И в нужный момент включал тиристор. Он шунтировал лампу, которая выключалась со скоростью срабатывания тиристора. При этом часть энергии конденсатора просто исчезала в виде тепла, не принося никакой пользы. Но в то время иначе и не могло быть – запираемых тиристоров еще не было.
Типы тиристоров и отличия схем для их использования
Тиристор запирался, поскольку зарядный ток конденсатора был подобран с учетом этого. Безусловно, схема с последовательным соединением тиристора и нагрузки существенно эффективнее. И она широко применяется. Все диммеры, которыми пользуются для управления освещением и электробытовыми приборами, работают по такой схеме. Но в них могут быть существенные отличия в связи с типом используемого тиристора. Схема с симметричным тиристором, который работоспособен на переменном напряжении при непосредственном соединении с нагрузкой, получается более простой.
Но если сравнивать симметричные тиристоры с обычными, пропускающими ток в одном направлении, сразу обращает на себя внимание заметно более широкий модельный ряд последних. К тому же предельные электрические параметры у них заметно больше. Но при этом обязательно наличие выпрямителя. Если регулируется сеть 220 В, необходим выпрямительный мост, в котором 4 мощных диода. Но каждый полупроводниковый прибор, независимо от того, транзистор это, тиристор или диод, характеризуется остаточным напряжением.
Оно мало изменяется в соответствии с силой тока, протекающего через него. И при этом на каждом из полупроводниковых приборов рассеивается тепло. Если токи достигают единиц ампер, тепловая мощность составит единицы ватт. Потребуются охлаждающие радиаторы. А это – ухудшение конструктивных показателей. Поэтому симисторные регуляторы более компактны и экономичны. Чтобы отказаться от выпрямительного моста, применяют схему из двух одинаковых тиристоров, соединенных параллельно и встречно.
Безусловно, это более экономичное решение относительно потерь. Однако у ключей должны быть соответствующие предельные обратные напряжения. А это значительно ограничивает число их моделей, пригодных для этой схемы. К тому же, получить симметричные полуволны, управляя двумя ключами, сложнее, чем при одном тиристоре. Но при большой силе тока, которая в промышленных установках может составлять сотни ампер и более на включенном тиристоре, рассеивается мощность в сотни ватт. Динамические потери еще больше разогревают ключи.
По этой причине уменьшение числа полупроводниковых приборов в мощных электрических регуляторах – это важнейшая задача. Далее на изображениях показаны промышленные тиристорные регуляторы напряжения. В современном ассортименте тиристоров среди моделей, выпускаемых серийно, присутствуют запираемые ключи. Они могут быть использованы в цепях постоянного тока.
Поэтому задачи регулирования напряжения в тысячи вольт при мощностях, величина которых измеряется мегаваттами, сегодня успешно решаются различными моделями тиристоров.
В быту очень часто появляется необходимость в регулировке мощности различных электрических приборов: газовых плит, чайника, паяльника, кипятильника, различных ТЭНов и т. п. В автомобиле может понадобиться регулировка оборотов двигателя. Для этого можно использовать простую конструкцию - регулятор напряжения на тиристоре. Своими руками к тому же его сделать несложно.
Некоторые нюансы выбора
Сделать тиристорный регулятор напряжения своими руками несложно. Это может быть первой поделкой начинающего радиолюбителя, которая сможет обеспечить регулировку температуры жала паяльника. К тому же паяльники с возможностью регулировки температуры заводского производства стоят дороже простых моделей без такой возможности. Поэтому можно ознакомиться с основами пайки и радиоконструирования, а также сэкономить немалую сумму. С помощью небольшого количества комплектующих можно собрать простой тиристор с навесным монтажом.
Навесной тип монтажа осуществляется без необходимости использования специальной печатной платы. С хорошими умениями в этой области можно таким способом собрать простые схемы достаточно быстро.
Можно сэкономить время и установить на паяльник готовый тиристор. Но если есть желание разобраться в схеме полностью, то тиристорный регулятор мощности придётся сделать своими руками.
Важно! Такое устройство, как тиристор, является регулятором общей мощности. Кроме этого, применяется для регулировки числа оборотов различного оборудования.
Но в первую очередь требуется понять общий принцип работы устройства, разобраться с его схемой. Это даст возможность правильно рассчитать необходимую мощность для оптимальной работы оборудования, на котором оно будет выполнять свои прямые обязанности.
Конструктивные особенности
Тиристор - это полупроводниковый элемент, которым можно управлять. Он может очень быстро при необходимости провести ток в одном направлении. В отличие от классических диодов с помощью тиристора выполняется регулировка момента подачи напряжения.
Он имеет сразу три элемента для вывода тока:
- катод;
- анод;
- управляемый электрод.
Работать такой элемент будет только при соблюдении определённых условий. Во-первых, он должен размещаться в схеме под общим напряжением. Во-вторых, на управляющую часть электрода должен быть подан необходимый кратковременный импульс. Это позволит регулировать мощность прибора в нужном направлении. Можно будет выключать устройство, включать его и изменять режимы работы. В отличие от транзистора тиристор не требует удержания управляющего сигнала.
Применять тиристор в целях обеспечения постоянного тока является нецелесообразным, поскольку тиристор легко закрыть, если перекрыть поступление в него тока по цепи. А для переменного тока в таких устройствах, как тиристорный регулятор, применение тиристора обязательно, поскольку схема выполнена таким методом, чтобы полностью обеспечивать необходимое закрывание полупроводникового элемента. Любая полуволна способна полностью закрыть отдел тиристора в случае такой потребности.
Схему начинающим довольно сложно понять, но воспользовавшись инструкциями от специалистов, они значительно упростят себе процесс создания.
Области и цели использования
Для начала нужно понять, в каких целях используется такое устройство как тиристорный регулятор мощности. Применяются регуляторы мощности практически во всех строительных и столярных электрических инструментах. Кроме этого, в кухонной технике без них тоже никак. Они позволяют, к примеру, регулировать режимы скорости кухонного комбайна или блендера, скорость нагнетания воздуха феном, а также функционируют для обеспечения выполнения других не менее важных задач. Полупроводниковый элемент позволяет более эффективно регулировать мощность нагревательных приборов, то есть их основной части.
Если использовать тиристоры в схеме с высокоиндуктивной нагрузкой, то они могут просто не закрыться в нужный момент, что приведёт к выходу из строя оборудования. Многие пользователи видели или даже самостоятельно пользовались такими устройствами, как болгарки, шлифовальные машины или дрели. Можно заметить, что главным образом регулировка мощности осуществляется при помощи нажатия кнопки. Эта кнопка и находится в общем блоке с тиристорным регулятором мощности, который изменяет обороты двигателя.
Важно! Тиристорный регулятор не может менять обороты автоматически в асинхронных двигателях. А вот в коллекторном двигателе, оборудованном специальным щелочным узлом, работать регулировка будет корректно и полноценно.
Принцип действия
Особенность работы заключается в том, что в любом приборе напряжение будет регулироваться мощностью и перебоями в электросети согласно синусоидальным законам.
Любой тиристор общей мощности может пропускать ток только в одном направлении. Если тиристор не отключить, то он будет продолжать работать и отключится только после совершения определённых действий.
При самостоятельном изготовлении необходимо спроектировать конструкцию таким образом, чтобы внутри было достаточно свободного места для установки регулирующего рычага или кнопки. В том случае когда устройство устанавливается по классической схеме, целесообразно подключение через особый выключатель, который будет изменять цвет при разном уровне мощности.
Кроме этого, такое дополнение позволяет частично предотвратить возникновение ситуаций с поражением человека током. Не нужно будет искать подходящий корпус, а также прибор будет иметь привлекательный внешний вид.
Существует множество способов закрывания тиристоров. Но в первую очередь необходимо помнить, что подача любых сигналов на электрод не сможет закрыть его и погасить действие. Электрод способен только запустить устройство. Существуют и аналоги - запираемые тиристоры. Но их прямое предназначение немного шире, чем у обычных выключателей. Классическую схему тиристорного регулятора напряжения можно выключить только прерыванием подачи тока на уровне анод-катод.
Закрыть регулятор мощности на тиристоре ку202н можно минимум 3 способами. Можно просто отключить всю схему от батарейки. Таким образом диод выключится. Но если повторно включить устройство, то оно не включится, поскольку тиристор остаётся в закрытом состоянии. Он будет находиться в таком положении, пока не будет нажата соответствующая кнопка.
Вторым способом закрытия тиристора является прерывание подачи тока. Это можно сделать, просто замкнув соединение катода анода с помощью обычной проволоки. Проверить можно на схеме с простым светодиодом вместо прибора. Если перемычку из проволоки подсоединить, как указано выше, то всё напряжение пойдёт через проволоку, а уровень тока, которой пойдёт в тиристор, будет нулевым. После того как забрать проволоку обратно, тиристор закроется и прибор выключится. В этом случае прибор - это светодиод, и он погаснет. Если экспериментировать с подобными схемами, то в качестве перемычки можно использовать пинцет.
Если вместо светодиода установить нагревательную спираль большой мощности, то можно получить законченный тиристорный регулятор.
Третий способ заключается в том, чтобы уменьшить напряжение питания до минимального, после чего изменить полярность на противоположную. Такая ситуация приведёт к выключению устройства.
Простой регулятор напряжения
Для производства простейшей системы, работающей на 12 вольтах, понадобятся такие ключевые элементы, как выпрямитель, генератор и аккумулятор. Генератор является одним из главных компонентов. Для изготовления понадобятся вышеупомянутые радиодетали, а также схема простейшего регулятора мощности. Стоит отметить, что в ней нет стабилизаторов.
Для изготовления необходимо подготовить такие элементы:
- 2 резистора;
- 1 транзистор;
- 2 конденсатора;
- 4 диода.
Специально для транзистора лучше устанавливать систему охлаждения. Это позволит избежать перегрузок системы. Устройство лучше устанавливать с хорошим запасом мощности, чтобы заряжать в последующем аккумуляторы с небольшой ёмкостью.