Семь тиристорных регуляторов напряжения
С амплитуднофазовым управлением
В регуляторе, схема которого показана на рис. 1, использованы два тринистора, открывающиеся один в положительный, а другой – в отрицательный полуперноды сетевого напряжения. Действующее напряжение на нагрузке Rн регулируют переменным резистором R3. Регулятор работает следующим образом. В начале положительного полупериода (плюс на верхнем по схеме проводе) тринисторы закрыты. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор. С1 заряжается через резисторы R2 и R3. Увеличение напряжения на конденсаторе отстает (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов R2 и R3 и емкости конденсатора С1. Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога открывания тринистора Д1. Когда тринистор откроется, через нагрузку Rн потечет ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого тринистора и Rн. Тринистор Д1 остается открытым до конца полупериода. Подбором резистора R1 устанавливают желаемые пределы регулирования. При указанных на схеме номиналах резисторов и конденсаторов напряжение на нагрузке можно изменять в пределах 40- 220 В.
В течение отрицательного полупериода аналогично работает тринистор Д4. Однако, конденсатор С2, частично заряженный в течение положительного полупериода (через резисторы R4 и R5 и диод Д6), должен перезаряжаться, а значит и время задержки включения тринистора должно быть большим. Чем дольше был закрыт тринистор Д1 в течение положительного полупериода, тем большее напряжение будет на конденсаторе С2 к началу отрицательного и тем дольше будет закрыт тринистор Д4. Синфазность работы тринисторов зависит от правильного подбора номиналов элементов R4, R5, С2. Мощность нагрузки может быть любой в пределах от 50 до 1000 Вт.
И.ЧУШАНОК г. Гродно
С фазоимпульсным управлением
Регулятор, схема которого показана на рис. 2, управляется автоматически сигналом Uynp. В регуляторе использованы два тиристора – тринистор Д5 и динистор Д7. Тринистор открывается импульсами, которые формируются цепочкой, состоящей из динистора Д7 и конденсатора С1. В начале каждого полупериода тринистор и динистор закрыты и конденсатор С1 заряжается током коллектора транзистора Т1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет порога открывания динистора, он откроется и конденсатор быстро разрядится через резистор R2 и первичную обмотку трансформатора Тр1. Импульс тока со вторичной обмотки трансформатора откроет тринистор. При этом управляющее устройство будет обесточено (так как падение напряжения на открытом тринисторе очень мало), динистор закроется. По окончании полупериода триннстор выключится и с началом следующего полупериода начнется новый цикл работы регулятора.
Время задержки импульса, открывающего тринистор, относительно начала полупериода определяется скоростью заряда конденсатора С1, которая пропорциональна току коллектора транзистора Т1. Изменяя управляющее напряжение Uynp, можно управлять этим током и, в конечном итоге, регулировать напряжение на нагрузке. Источником сигнала Uynp может быть полосовой фильтр (с выпрямителем) цветомузыкальнои установки, программное устройство. В системах автоматического регулирования в качестве Uупр используют напряжение обратной связи.
Резистор R5 необходимо подобрать таким, чтобы при Uynp=0 тринистор открывался в каждый полупериод в момент времени, близкий к окончанию полупериода. Для того, чтобы перейти на ручное регулирование, достаточно заменить резистор R5 последовательной цепочкой из переменного резистора и постоянного сопротивлением 10- 12 кОм. Напряжение стабилизации стабилитрона Д6 должно быть на 5-10 В больше максимального напряжения включения динистора.
Транзистор Т1. может быть любым из серий МП21, МП25, МП26. Динистор можно применить типов КН102Б, Д227А, Д227Б, Д228А, Д228Б. Резистор R1 составлен из двух мощностью по 2 Вт. Импульсный трансформатор Тр1 намотан на кольцевом сердечнике, имеющем размеры 26Х18Х4 мм, из пермаллоя 79НМА (или такого же сечения из феррита М2000НМ1). Обмотка I содержит 70 витков, а обмотка II – 50 витков провода ПЭВ-2 0,33 мм. Межобмоточная изоляция должна выдерживать напряжение, близкое к сетевому. Вместо динистора в регуляторе можно использовать транзистор, работающий в лавинном режиме. О работе транзисторов, в этом режиме подробно рассказывалось в "Радио", 1974, № 5, С. 38-41. Схема одного из таких регуляторов показана на рис. 3.
По принципу работы регулятор с транзистором, работающим в лавинном режиме, не отличается от предыдущего. Используемый транзистор типа ГТ311И имеет напряжение лавинного пробоя около 30 В (при сопротивлении резистора R3 равном 1 кОм). В случае применения других транзисторов – номиналы элементов R4, R5, С1 потребуется изменить.
В регуляторе (рис. 3) могут быть использованы и другие транзисторы, в том числе и структуры р-n-р, например П416. В этом случае нужно у транзистора Т1 (см. рис. 3) поменять местами выводы эмиттера и коллектора. Резистор R3 во всех случаях должен быть включен между базой и эмиттером. Напряжение на нагрузке регулируют переменным резистором R4.
Инж. Е. ФУРМАНСКИЙ Москва
С аналогом однопереходного транзистора
В регуляторе, схема которого показана на рис. 4, применен фазоимпульсный метод управления тринистором. В управляющем устройстве регулятора использован транзисторный аналог однопереходного транзистора (двухбазового диода). О работе однопереходных транзисторов можно прочитать в "Радио", 1972, № 7, с. 56.
Силовая цепь регулятора построена так же, как у регулятора, опубликованного в "Радио", 1972, № 9, с. 55. При разомкнутых контактах выключателя В’2 действующее значение напряжения на нагрузке можно изменять в пределах от нескольких вольт до 110 В, а при замкнутых – от 110 до 220 В.
По принципу работы управляющее устройство описываемого регулятора не отличается от устройств на динисторе или лавинном транзисторе (рис. 2 и 3). Мощность, подводимую к нагрузке, регулируют переменным резистором R5.
Тринистор ДЗ и диод Д1 установлены на общем радиаторе площадью 50-80 см2. Резистор R1 составлен из двух резисторов мощностью 2 Вт.
Инж. В. ПОПОВИЧ г. Ижевск.
Описываемый регулятор построен по схеме фазоимпульсного регулирования с использованием симистора (симметричного тирнстора). Схема регулятора показана на рис. 5. В управляющем устройстве применен транзисторный аналог однопереходного транзистора n-типа.
При включении регулятора (выключателем В1) транзисторы Т1 ч Т2 закрыты и конденсатор С1 начинает заряжаться через резистор R4 (с помощью которого регулируют мощность, выделяемую на нагрузке Rн). Заряд продолжается до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не превысит порог открывания транзистора Т1. В этот момент транзисторы открываются и переходят в режим насыщения. Конденсатор быстро разряжается через них на первичную обмотку импульсного трансформатора Тр1. Импульс тока со вторичной обмотки открывает симистор Д5. Порог открывания транзисторов определяется сопротивлениями резисторов делителя R2R3.
Импульсный трансформатор Тр1 намотан на кольце из феррита М2000НМ1-15 типоразмера К20х 12х6. Обмотка I содержит 50 витков, а II – 30 витков провода ПЭЛШО 0,25 мм. Конденсатор С1 – МБМ с рабочим напряжением 160 В.
Максимально допустимый ток нагрузки регулятора 5 А. Пределы регулирования напряжения от нескольких вольт до 215 В.
Инж. В. ПОНОМАРЕНКО. инж. В. ФРОЛОВ г. Воронеж
C улучшенной регулировочной характеристикой
В тиристорных регуляторах с фазоимпульсным управлением напряжение на конденсаторе RС-цепи во время его заряда увеличивается по экспоненциальному закону. При синусоидальной форме сетевого напряжения регулировочная характеристика, выражающая зависимость напряжения на нагрузке от сопротивления переменного резистора, оказывается резко нелинейной, что затрудняет плавную регулировку напряжения на нагрузке.
Тиристорный регулятор, схема которого показана на рис. 6, в значительной степени свободен от этого недостатка. В регуляторе использован однопереходный транзистор. Улучшение линейности регулировочной характеристики достигается тем, что конденсатор С1 заряжается от напряжения сети (через резистор R4) и одновременно от источника постоянного стабилизированного напряжения (через делитель R5R6 и диод Д6>. Изменяя резистором R6 уровень постоянного напряжения, можно управлять моментом открывания тринистора и, следовательно, напряжением на нагрузке. Диод Д6 исключает возможность разряда конденсатора через резистор R6.
Сопротивление резистора R4 выбирают таким, чтобы при замкнутом накоротко резисторе R6 напряжение на нагрузке было минимальным. Тогда при крайнем нижнем (по схеме) положении движка резистора R6 напряжение на нагрузке будет максимальным.
Со стабилизацией выходного напряжения
Особенностью описываемого регулятора является способность стабилизировать напряжение на нагрузке при изменении напряжения питающей сети. Управляющее устройство построено на однопереходном транзисторе по схеме фазоимпульсного регулирования.
В электротехнике довольно часто приходиться встречаться с задачами регулирования переменного напряжения, тока или мощности. Например, для регулирования частоты вращения вала коллекторного двигателя необходимо регулировать напряжение на его зажимах, для управления температурой внутри сушильной камеры нужно регулировать мощность, выделяемую в нагревательных элементах, для достижения плавного безударного пуска асинхронного двигателя – ограничивать его пусковой ток. Распространенным решением является устройство, называемое тиристорный регулятор.
Устройство и принцип действия однофазного тиристорного регулятора напряжения
Тиристорные регуляторы бывают однофазные и трехфазные соответственно для однофазных и трехфазных сетей и нагрузок. В этой статье мы рассмотрим простейший однофазный тиристорный регулятор, трехфазные – в других статьях. Итак, на рисунке 1 ниже представлен однофазный тиристорный регулятор напряжения:
Рис.1 Простой однофазный тиристорный регулятор с активной нагрузкой
Сам тиристорный регулятор обведен голубыми линиями и включает в себя тиристоры VS1-VS2 и систему импульсно-фазового управления ( далее – СИФУ). Тиристоры VS1-VS2 – полупроводниковые приборы, имеющие свойство быть закрытыми для протекания тока в нормальном состоянии и быть открытыми для протекания тока одной полярности при подаче напряжения управления на его управляющий электрод. Поэтому для работы в сетях переменного тока необходимо два тиристора, включенных разнонаправлено – один для протекания положительной полуволны тока, второй – отрицательной полуволны. Такое включение тиристоров называется встречно-параллельным.
Однофазный тиристорный регулятор с активной нагрузкой
Работает тиристорный регулятор так. В начальный момент времени подается напряжение L-N ( фаза и ноль в нашем примере), при этом импульсы управляющего напряжения на тиристоры не подаются, тиристоры закрыты, ток в нагрузке Rн отсутствует. После получения команды на запуск СИФУ начинает формировать импульсы управления по определенному алгоритму ( см.рис. 2).
Рис.2 Диаграмма напряжения и тока в активной нагрузке
Сначала система управления синхронизируется с сетью, то есть определяет момент времени, в который напряжение сети L-N равно нулю. Эта точка называется моментом перехода через ноль ( в иностранной литературе – Zero Cross). Далее отсчитывается определенное время T1 от момента перехода через ноль и подается импульс управления на тиристор VS1. При этом тиристор VS1 открывается и через нагрузку протекает ток по пути L-VS1-Rн-N. При достижении следующего перехода через ноль тиристор автоматически закрывается, так как не может проводить ток в обратном направлении. Далее начинается отрицательный полупериод сетевого напряжения. СИФУ снова отсчитывает время Т1 относительно уже нового момента перехода напряжения через ноль и формирует второй импульс управления уже тиристором VS2, который открывается, и через нагрузку протекает ток по пути N-Rн-VS2-L. Такой способ регулирования напряжения называется фазо-импульсный.
Время Т1 называется временем задержки отпирания тиристоров, время Т2 – время проводимости тиристоров. Изменяя время задержки отпирания T1 можно регулировать величину выходного напряжения от нуля ( импульсы не подаются, тиристоры закрыты) до полного сетевого, если импульсы подаются сразу в момент перехода через ноль. Время задержки отпирания T1 варьируется в пределах 0..10 мс (10 мс – это длительность одного полупериода напряжения стандартной сети 50 Гц). Также иногда говорят о временах T1 и Т2, но оперируют при этом не временем, а электрическими градусами. Один полупериод составляет 180 эл.градусов.
Что представляет выходное напряжение тиристорного регулятора? Как видно из рисунка 2, оно напоминает « обрезки» синусоиды. Причем чем больше время Т1, тем меньше этот „обрезок“ напоминает синусоиду. Из этого следует важный практический вывод – при фазо-импульсном регулировании выходного напряжение несинусоидально. Это обуславливает ограничение области применения — тиристорный регулятор не может быть применен для нагрузок, не допускающих питание несинусоидальным напряжением и током. Так же на рисунке 2 красным цветом показана диаграмма тока в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная, то форма тока повторяет форму напряжения в соответствии с законом Ома I=U/R.
Случай активной нагрузки является наиболее распространенным. Одно из самых частых применений тиристорного регулятора – регулирование напряжения в ТЭНах. Регулируя напряжение, изменяется ток и выделяемая в нагрузке мощность. Поэтому иногда такой регулятор также называют тиристорным регулятором мощности. Это верно, но все-таки более верное название – тиристорный регулятор напряжения, так как именно напряжение регулируется в первую очередь, а ток и мощность – это величины уже производные.
Регулирование напряжения и тока в активно-индуктивной нагрузке
Мы рассмотрели простейший случай активной нагрузки. Зададимся вопросом, что изменится, если нагрузка будет иметь помимо активной еще и индуктивную составляющую? Например, активное сопротивление подключено через понижающий трансформатор ( рис.3). Это кстати очень распространенный случай.
Рис.3 Тиристорный регулятор работает на RL-нагрузку
Посмотрим внимательно на рисунок 2 из случая чисто активной нагрузки. На нем видно, что сразу после включения тиристора ток в нагрузке почти мгновенно нарастает от нуля до своего предельного значения, обусловленного текущим значением напряжения и сопротивления нагрузки. Из курса электротехники известно, что индуктивность препятствует такому скачкообразному нарастанию тока, поэтому диаграмма напряжения и тока будет иметь несколько отличный характер:
Рис.4 Диаграмма напряжения и тока для RL-нагрузки
После включения тиристора ток в нагрузке нарастает постепенно, благодаря чему кривая тока сглаживается. Чем больше индуктивность, тем более сглаженная кривая тока. Что это дает практически?
— Наличие достаточной индуктивности позволяет приблизить форму тока к синусоидальной, то есть индуктивность выполняет роль синус фильтра. В данном случае это наличие индуктивности обусловлено свойствами трансформатора, но часто индуктивность вводят преднамеренно в виде дросселя.
— Наличие индуктивности уменьшает величину помех, распространяемых тиристорным регулятором по проводам и в радиоэфир. Резкое, почти мгновенное ( в течение нескольких микросекунд) нарастание тока вызывает помехи которые могут препятствовать нормальной работе другого оборудования. А если питающая сеть « слабая», то бывает и совсем курьез – тиристорный регулятор может „глушить“ сам себя своими же помехами.
— У тиристоров есть важный параметр – величина критической скорости нарастания тока di/dt. Например, для тиристорного модуля SKKT162 эта величина составляет 200 А/мкс. Превышение этой величины опасно, так как может привести к выходу тиристору из строя. Так вот наличие индуктивности дает возможность тиристору остаться в области безопасной работы, гарантированно не превысив предельную величину di/dt. Если же это условие не выполняется, то может наблюдаться интересное явление – выход тиристоров из строя, притом что ток тиристоров не превышает их номинального значения. Например, тот же SKKT162 может выходить из строя при токе в 100 А, хотя он может нормально работать до 200 А. Причиной будет превышение именно скорости нарастания тока di/dt.
Кстати, надо оговориться, что индуктивность в сети есть всегда, даже если нагрузка носит чисто активный характер. Ее наличие обусловлено, во-первых, индуктивностью обмоток питающей трансформаторной подстанции, во вторых, собственной индуктивностью проводов и кабелей и, в третьих, индуктивностью петли, образованной питающими и нагрузочными проводами и кабелями. И чаще всего этой индуктивности хватает, чтобы обеспечить условие непревышения di/dt критического значения, поэтому производители обычно не ставят в тиристорные регуляторы дроссели, предлагая их как опцию тем, кого беспокоит « чистота» сети и электромагнитная совместимость устройств к ней подключенных.
Также обратим внимание диаграмму напряжения на рисунке 4. На ней также видно, что после перехода через ноль на нагрузке появляется небольшой выброс напряжения обратной полярности. Причина его возникновения – затягивание спадания тока в нагрузке индуктивностью, благодаря чему тиристор продолжает быть открытым даже при отрицательной полуволне напряжения. Запирание тиристора происходит при спадания тока до нуля с некоторым запаздыванием относительно момента перехода через ноль.
Случай индуктивной нагрузки
Что будет если индуктивная составляющая много больше составляющей активной? Тогда можно говорить о случае чисто индуктивной нагрузки. Например, такой случай можно получить, отключив нагрузку с выхода трансформатора из предыдущего примера:
Рисунок 5 Тиристор регулятор с индуктивной нагрузкой
Трансформатор, работающий в режиме холостого хода – почти идеальная индуктивная нагрузка. В этом случае из-за большой индуктивности момент запирания тиристоров смещается ближе к середине полупериода, а форма кривой тока максимально сглаживается до почти синусоидальной формы:
Рисунок 6 Диаграммы тока и напряжение для случая индуктивной нагрузки
При этом напряжение на нагрузке почти равно полному сетевому, хотя время задержки отпирания составляет всего половину полупериода (90 эл.градусов) То есть при большой индуктивности можно говорить о смещении регулировочной характеристики. При активной нагрузке максимальное выходное напряжение будет при угле задержки отпирания 0 эл.градусов, то есть в момент перехода через ноль. При индуктивной нагрузке максимум напряжения можно получить при угле задержки отпирания 90 эл.градусов, то есть при отпирании тиристора в момент максимума сетевого напряжения. Соответственно, случаю активно-индуктивной нагрузки максимум выходного напряжения соответствует углу задержки отпирания в промежуточном диапазоне 0..90 эл.градусов.
Экспериментально снятая зависимость эффективного значения напряжения U„ на активной нагрузке микросхемы КР1182ПМ1А от сопротивления резистора Rynp, включенного между ее выводами 6 и 3, при напряжении питающей сети 220 В изображена на рис. 1. Она свидетельствует, что интервал изменения этого сопротивления от полного выключения до полного включения нагрузки достаточно велик. Установив в качестве регулирующего переменный резистор номиналом 22 кОм, можно вручную плавно изменять мощность.
Однако в системах автоматического или дистанционного управления мощность удобнее регулировать не сопротивлением, а напряжением между выводами микросхемы КР1182ПМ1А. Хотя в ее справочных данных [2] сказано, что его максимальное значение 6 В, проведенные эксперименты не подтверждают этого. Изображенная на рис. 2 экспериментальная зависимость напряжения на нагрузке UH от приложенного между выводами 6 (плюс) и 3 (минус) микросхемы управляющего напряжения Uynp показывает, что интервал его изменения от полного выключения до полного включения нагрузки лишь немногим превышает 1 В. 
Рис. 3
Эксперименты проводились с нагрузкой номинальной мощностью 75 Вт.
Управляющее напряжение подавалось от изолированного источника. Между выводами 6 и 3 был включен защитный стабилитрон на 5,1 В. Тем не менее, выдержав некоторое число включений и выключений, микросхема, в конце концов, переставала работать. После того, как отправились в корзину две микросхемы КР1182ПМ1, эксперименты были прекращены. 
Рис. 4
Конечно, две сгоревшие микросхемы еще не дают оснований делать окончательные выводы. Но в любительских условиях каждая из них представляет ценность, тем более что микросхемы КР1182ПМ1 нельзя отнести к дешевым. Было решено, отказавшись от них, разработать на дискретных элементах более надежное устройство. Оказалось к тому же, что суммарная стоимость его деталей мало отличается от цены одной микросхемы КР1182ПМ1.
Схема разработанного фазового регулятора, управляемого напряжением, представлена на рис. 3. Он используется для управления освещением аквариума. Управляющее напряжение Uynp медленно нарастает и убывает, имитируя для рыб "рассвет", "день", "закат" и "ночь".
Временные диаграммы на рис. 4 поясняют работу регулятора. Пульсирующее с удвоенной частотой сети напряжение с диодного моста (кривая 1) через резисторы R1- R3 приложено к излучающему диоду оптрона U1. Стабилитрон VD2 необходим для ограничения амплитуды импульсов текущего через этот диод тока. Во время этих импульсов фототранзистор оптрона открыт, а в паузах между ними (в моменты, близкие к переходам сетевого напряжения через ноль) он закрыт. Форма импульсов на коллекторе этого транзистора показана кривой 2. В интервалах между ними работает генератор стабильного тока на транзисторе VT1. Происходит зарядка конденсатора С1, напряжение на нем линейно нарастает (кривая 3). Во время импульса открывается и разряжает конденсатор транзистор VT2. 
Рис. 5
Напряжение с конденсатора поступает на базу транзистора VT3, к эмиттеру которого приложено управляющее напряжение иупр. Его уровень показан на кривой 3 штриховой линией. Пока напряжение на конденсаторе меньше управляющего, транзистор VT3 закрыт, когда оно больше – открыт. Вместе с ним открывается и закрывается транзистор VT4, в коллекторную цепь которого включен излучающий диод оптрона U2. Импульсы текущего через него тока – кривая 4. Они тем короче, чем ближе управляющее напряжение к амплитудному значению напряжения на конденсаторе С1 и тем позже в каждом полупериоде сетевого напряжения открываются фотодинистор оптрона U2 и симистор VS2. Эффективное значение напряжения на нагрузке максимально при нулевом управляющем напряжении и уменьшается с его увеличением.
Печатная плата регулятора изображена ни рис. 5. Его питают от любого источника постоянного напряжения 12 В. Максимальное управляющее напряжение на 3. 4 В меньше напряжения питания. Транзисторы КТ3102А можно заменить другими той же серии, а КТ3107К – транзисторами КТ3107Л, в крайнем случае КТ3107Д- КТ3107И. Допустимая мощность нагрузки зависит от используемого симистора. Примененный ТС106-10 позволяет управлять нагрузкой мощностью до 2 кВт. При ее мощности до 100 Вт отводить тепло от симистора не требуется.
1. Немич А. Микросхема КР1182ПМ1 – фазовый регулятор мощности. – Радио, 1999, №7, с. 44-46.
2. Интегральные микросхемы: Перспективные изделия. Вып. 1. – М.: ДОДЭКА 1996.
Автор: Г. МАРТЫНОВ, г. Донецк, Украина Раздел: [Конструкции простой сложности]
Сохрани статью в: