Tyrystorowe regulatory mocy

Tyrystorowe kontrolery mocy są jednym z najczęstszych amatorskich projektów radiowych i nie jest to zaskakujące. W końcu każdy, kto kiedykolwiek używał zwykłej lutownicy 25 - 40 W, jego zdolność do przegrzania jest nawet bardzo dobrze znana. Lutownica zaczyna dymić i syczeć, a wkrótce cynowane żądło wypala się, robi się czarne. Lutowanie za pomocą takiej lutownicy jest już całkowicie niemożliwe.

I tu na ratunek przychodzi regulator mocy, za pomocą którego można dość dokładnie ustawić temperaturę lutowania. Należy kierować się faktem, że gdy lutownica dotyka kawałka kalafonii, pali dobrze, więc średnio, bez syczenia i chlapania, niezbyt energicznie. Powinieneś skupić się na tym, że lutowanie jest konturowe, błyszczące.

Oczywiście nowoczesne stacje lutownicze są one wyposażone w stabilizowane termicznie lutownice, wyświetlacz cyfrowy i regulowaną temperaturę grzania, ale są zbyt drogie w porównaniu do zwykłej lutownicy. Dlatego przy niewielkich ilościach pracy lutowniczej całkiem możliwe jest użycie konwencjonalnej lutownicy z tyrystorowym regulatorem mocy. Jednocześnie jakość lutowania, która może nie być natychmiastowa, okaże się doskonała, osiąga się poprzez praktykę.

Innym obszarem zastosowania regulatorów tyrystorowych jest kontrola jasności. Takie regulatory są sprzedawane w sklepach elektrycznych w postaci tradycyjnych przełączników ściennych z obrotowym uchwytem. Ale tutaj zasadzka czeka na kupującego: nowoczesne lampy energooszczędne (często określane w literaturze jako kompaktowe lampy fluorescencyjne (CFL)) po prostu nie chcą współpracować z takimi regulatorami.

Ta sama nieprzewidywalna opcja okaże się w przypadku regulacji jasności lamp LED. Cóż, nie są one przeznaczone do takiej pracy i to wszystko: mostek prostowniczy z kondensatorem elektrolitycznym znajdującym się wewnątrz CFL po prostu nie pozwoli tyrystorowi działać. Dlatego regulowane „światło nocne” z takim regulatorem można utworzyć tylko za pomocą żarówki.

Należy jednak pamiętać o tym transformatory elektroniczneprzeznaczony do zasilania lamp halogenowych oraz w amatorskich konstrukcjach radiowych do różnych celów. W tych transformatorach, po mostku prostownika, z jakiegoś powodu, najwyraźniej w celu zaoszczędzenia lub po prostu zmniejszenia rozmiaru, kondensator elektrolityczny nie jest zainstalowany. To właśnie ta „oszczędność” pozwala dostosować jasność lamp za pomocą regulatorów tyrystorowych.

Jeśli obciążysz swoją wyobraźnię, nadal możesz znaleźć wiele innych obszarów, w których wymagane jest użycie regulatorów tyrystorowych. Jednym z tych obszarów jest regulacja obrotów elektronarzędzi: wiertarek, szlifierek, wkrętaków, młotów obrotowych itp. itd. Oczywiście regulatory tyrystorowe znajdują się wewnątrz instrumentów zasilanych prądem przemiennym.Obejrzyj -Rodzaje i układ obrotów prędkości silnika kolektora.

Cały taki regulator jest wbudowany w przycisk kontrolny i jest małym pudełkiem włożonym w uchwyt wiertła. Stopień naciśnięcia przycisku określa częstotliwość obrotu naboju. W przypadku awarii całe pudełko zmienia się natychmiast: dla całej pozornej prostoty konstrukcji taki regulator absolutnie nie nadaje się do naprawy.

W przypadku narzędzi zasilanych prądem stałym z akumulatorów kontrola mocy odbywa się za pomocą tranzystory mosfet metoda modulacji szerokości impulsu. Częstotliwość PWM sięga kilku kiloherców, więc przez korpus śrubokręta słychać skrzypienie o wysokiej częstotliwości. To skrzypiące uzwojenie silnika.

Ale w tym artykule uwzględnione zostaną tylko tyrystorowe sterowniki mocy.Dlatego przed rozważeniem obwodu regulatora należy pamiętać, jak to działa tyrystor.

Aby nie komplikować historii, nie rozważymy tyrystora w postaci jego czterowarstwowej struktury pnpn, nie narysujemy charakterystyki prądowo-napięciowej, ale po prostu opiszemy słowami, jak to działa, tyrystor. Na początek w obwodzie prądu stałego, chociaż tyrystory prawie nie są używane w tych obwodach. W końcu wyłączenie tyrystora pracującego na prądzie stałym jest dość trudne. To tak samo, jak zatrzymanie konia.

Niemniej jednak wysokie prądy i wysokie napięcia tyrystorów przyciągają twórców różnych, z reguły dość mocnych urządzeń prądu stałego. Aby wyłączyć tyrystory, trzeba przejść do różnych komplikacji obwodów, sztuczek, ale ogólnie wyniki są pozytywne.

Oznaczenie tyrystora na schematach obwodu pokazano na rycinie 1.

Rysunek 1. Tyrystor

Łatwo zauważyć, że w oznaczeniu na obwodach tyrystor jest bardzo podobny do zwykła dioda. Jeśli spojrzysz, to tyrystor ma również jednostronne przewodnictwo, a zatem może rektyfikować prąd przemienny. Ale zrobi to tylko wtedy, gdy dodatnie napięcie zostanie przyłożone do elektrody kontrolnej względem katody, jak pokazano na rycinie 2. Zgodnie ze starą terminologią tyrystor był czasem nazywany kontrolowaną diodą. Dopóki impuls sterujący nie zostanie przyłożony, tyrystor jest zamknięty w dowolnym kierunku.

Rycina 2

Jak włączyć diodę LED

Tutaj wszystko jest bardzo proste. Do źródła napięcia stałego 9V (można użyć akumulatora „Krona”) przez tyrystor Vsx LED HL1 podłączony z rezystorem ograniczającym R3. Za pomocą przycisku SB1 napięcie z dzielnika R1, R2 można przyłożyć do elektrody sterującej tyrystora, a następnie tyrystor otworzy się, dioda LED zacznie świecić.

Jeśli teraz zwolnisz przycisk, przestań go trzymać wciśnięty, dioda LED powinna nadal świecić. Tak krótkie naciśnięcie przycisku można nazwać impulsem. Powtarzane, a nawet powtarzane naciśnięcie tego przycisku niczego nie zmieni: dioda LED nie gaśnie, ale nie świeci jaśniej ani ściemniaczem.

Wciśnięty - zwolniony, a tyrystor pozostał otwarty. Ponadto ten warunek jest stabilny: tyrystor będzie otwarty, dopóki wpływy zewnętrzne nie usuną go z tego stanu. Takie zachowanie obwodu wskazuje na dobry stan tyrystora, jego przydatność do pracy w projektowanym lub naprawianym urządzeniu.

Mała uwaga

Ale często zdarzają się wyjątki od tej zasady: przycisk jest wciśnięty, dioda LED świeci, a gdy przycisk jest zwolniony, gaśnie, jakby nic się nie stało. A co jest haczykiem, co zrobiłeś źle? Może przycisk został naciśnięty za krótko lub niezbyt fanatycznie? Nie, wszystko zostało zrobione dość sumiennie. Po prostu prąd przez diodę LED okazał się mniejszy niż prąd trzymania tyrystora.

Aby opisany eksperyment zakończył się powodzeniem, wystarczy wymienić diodę LED na żarówkę, a następnie prąd będzie większy lub wybrać tyrystor o niższym prądzie podtrzymującym. Ten parametr dla tyrystorów ma znaczny rozproszenie, czasem konieczne jest nawet wybranie tyrystora dla określonego obwodu. Co więcej, jedna marka, z jedną literą i z jednego pudełka. Importowane tyrystory, które ostatnio były preferowane, są nieco lepsze dzięki temu prądowi: łatwiej je kupić, a parametry są lepsze.

Jak zamknąć tyrystor

Żaden sygnał przyłożony do elektrody kontrolnej nie może zamknąć tyrystora i wyłączyć diody LED: elektroda kontrolna może jedynie włączyć tyrystor. Istnieją oczywiście tyrystory zamykane na klucz, ale ich cel jest nieco inny niż banalne kontrolery mocy lub proste przełączniki. Konwencjonalny tyrystor można wyłączyć tylko poprzez przerwanie prądu przez sekcję anoda - katoda.

Można to zrobić na co najmniej trzy sposoby. Po pierwsze, głupio odłącz cały obwód od akumulatora. Przypomnijmy rysunek 2. Oczywiście dioda LED zgaśnie.Ale po ponownym podłączeniu nie uruchomi się samo, ponieważ tyrystor pozostaje zamknięty. Ten warunek jest również trwały. Aby wyciągnąć go z tego stanu, zapalić światło, pomoże tylko naciśnięcie przycisku SB1.

Drugim sposobem przerwania prądu przez tyrystor jest po prostu wzięcie i zwarcie zacisków katody i anody za pomocą zworki drutowej. W tym przypadku cały prąd obciążenia, w naszym przypadku jest to tylko dioda LED, przepłynie przez zworkę, a prąd przez tyrystor wyniesie zero. Po zdjęciu zworki tyrystor zostanie zamknięty, a dioda LED zgaśnie. W eksperymentach z podobnymi schematami pęsety są najczęściej używane jako skoczek.

Załóżmy, że zamiast diody LED w tym obwodzie będzie wystarczająco mocna cewka grzewcza o wysokiej bezwładności cieplnej. Potem okazuje się prawie gotowy regulator mocy. Jeśli tyrystor zostanie włączony w taki sposób, że spirala zostanie włączona na 5 sekund i wyłączona na taki sam czas, wówczas spirala alokuje 50 procent mocy. Jeśli podczas tego dziesięciosekundowego cyklu włączenie zajmie tylko 1 sekundę, wówczas oczywiste jest, że spirala uwalnia tylko 10% ciepła z mocy.

Przy mniej więcej takich cyklach czasowych, mierzonych w sekundach, działa kontrola mocy mikrofal. Po prostu za pomocą przekaźnika promieniowanie RF jest włączane i wyłączane. Kontrolery tyrystorowe działają na częstotliwości sieci, gdzie czas jest mierzony w milisekundach.

Trzeci sposób na wyłączenie tyrystora

Polega na zmniejszeniu napięcia obciążenia do zera, a nawet odwróceniu biegunowości napięcia zasilania. Jest to dokładnie sytuacja, w której obwody tyrystorowe są zasilane przemiennym prądem sinusoidalnym.

Kiedy sinusoida przechodzi przez zero, zmienia swój znak na przeciwny, więc prąd przez tyrystor staje się mniejszy niż prąd trzymający, a następnie całkowicie równy zeru. Tak więc problem wyłączenia tyrystora rozwiązuje się sam.

Tyrystorowe sterowniki mocy. Regulacja fazowa

Tak więc sprawa pozostawia się małym. Aby uzyskać kontrolę fazy, wystarczy zastosować impuls kontrolny w określonym czasie. Innymi słowy, puls musi mieć pewną fazę: im bliżej końca połowy napięcia przemiennego, tym mniejsza amplituda napięcia będzie na obciążeniu. Metodę kontroli fazy pokazano na rycinie 3.

Ryc. 3. Regulacja faz

W górnym fragmencie obrazu impuls sterujący jest przykładany prawie na samym początku półfali sinusoidy, faza sygnału sterującego jest bliska zeru. Na rysunku czas ten wynosi t1, więc tyrystor otwiera się prawie na początku półcyklu, a moc zbliżona do maksymalnej jest alokowana w obciążeniu (jeśli w obwodzie nie było tyrystorów, moc byłaby maksymalna).

Same sygnały sterujące nie są pokazane na tym rysunku. Idealnie są to krótkie impulsy, dodatnie względem katody, przyłożone w pewnej fazie do elektrody kontrolnej. W najprostszych schematach może to być liniowo rosnące napięcie uzyskiwane przez ładowanie kondensatora. Zostanie to omówione poniżej.

Na średnim wykresie impuls sterujący jest przykładany w połowie półcyklu, co odpowiada kątowi fazowemu Π / 2 lub czasowi t2, dlatego tylko połowa maksymalnej mocy jest alokowana w obciążeniu.

Na dolnym wykresie impulsy otwierające są przykładane bardzo blisko końca półcyklu, tyrystor otwiera się prawie przed zamknięciem, zgodnie z wykresem czas ten jest oznaczany jako t3, więc moc w obciążeniu jest przydzielana nieznacznie.

Tyrystorowe obwody przełączające

Po krótkim przeglądzie zasady działania tyrystorów możesz prawdopodobnie przynieść kilka obwodów regulatora mocy. Nic tu nie wymyślono; wszystko można znaleźć w Internecie lub w starych czasopismach radiowych. Artykuł po prostu zawiera krótki przegląd i opis stanowiska obwody regulatora tyrystorowego. Opisując działanie obwodów, należy zwrócić uwagę na sposób wykorzystania tyrystorów, jakie obwody przełączające tyrystora istnieją.

Jak powiedziano na samym początku artykułu, tyrystor prostuje napięcie przemienne jak zwykła dioda. Okazuje się, że rektyfikacja półfalowa. Kiedyś tak po prostu przez diodę włączyły się żarowe lampy na klatkach schodowych: było trochę światła, oślepiło mnie w oczach, ale potem lampy bardzo rzadko się palą. To samo dzieje się, jeśli ściemniacz jest wykonywany na jednym tyrystorze, pojawia się tylko możliwość regulacji i tak już nieznacznej jasności.

Dlatego sterowniki mocy kontrolują oba pół-cykle napięcia sieciowego. W tym celu stosuje się równoległe połączenie tyrystorów, triaki lub włączenie tyrystora w przekątnej mostka prostownika.

Dla jasności tego stwierdzenia rozważymy kilka obwodów tyrystorowych sterowników mocy. Czasami nazywane są regulatorami napięcia, a która nazwa jest bardziej poprawna, trudno ją rozwiązać, ponieważ wraz z regulacją napięcia regulowana jest również moc.

Najprostszy tyrystorowy regulator

Przeznaczony jest do regulacji mocy lutownicy. Jego obwód pokazano na rysunku 4.

Rysunek 4. Schemat najprostszego tyrystorowego sterownika mocy

Aby regulować moc lutownicy, zaczynając od zera, nie ma sensu. Dlatego możemy ograniczyć się do regulacji tylko jednego półcyklu napięcia sieci, w tym przypadku dodatniego. Ujemny półcykl przechodzi bez zmian przez diodę VD1 bezpośrednio do lutownicy, co zapewnia jej połowę mocy.

Dodatni półcykl przechodzi przez tyrystor VS1, umożliwiając regulację. Obwód sterujący tyrystora jest niezwykle prosty. Są to rezystory R1, R2 i kondensator C1. Kondensator jest ładowany przez obwód: górny drut obwodu, R1, R2 i kondensator C1, obciążenie, dolny drut obwodu.

Elektroda sterująca tyrystorowa jest podłączona do dodatniego bieguna kondensatora. Kiedy napięcie na kondensatorze wzrasta do napięcia załączającego tyrystora, ten drugi się otwiera, przekazując do obciążenia dodatni półcykl napięcia, a raczej jego część. Kondensator C1 naturalnie rozładowuje się, przygotowując się w ten sposób do następnego cyklu.

Prędkość ładowania kondensatora jest regulowana za pomocą rezystora zmiennego R1. Im szybciej kondensator zostanie naładowany do napięcia otwarcia tyrystora, tym wcześniej tyrystor się otworzy, tym większa część dodatniego półcyklu napięcia wejdzie do obciążenia.

Obwód jest prosty, niezawodny, całkiem nadaje się do lutownicy, chociaż reguluje tylko jeden półokres napięcia sieciowego. Bardzo podobny schemat pokazano na rycinie 5.

Rysunek 5. Tyrystorowy sterownik mocy

Jest to nieco bardziej skomplikowane niż poprzednie, ale pozwala na płynniejszą i dokładniejszą regulację, ponieważ obwód generowania impulsu sterującego jest zmontowany na tranzystorze podwójnej bazy KT117. Tranzystor przeznaczony jest do tworzenia generatorów impulsów. Co więcej, wydaje się, że nie jest zdolny do niczego innego. Podobny obwód stosuje się w wielu kontrolerach mocy, a także w przełączaniu zasilaczy jako sterownik impulsu wyzwalającego.

Gdy tylko napięcie na kondensatorze C1 osiągnie próg tranzystora, ten otwiera się i na pinie B1 pojawia się impuls dodatni, otwierając tyrystor VS1. Rezystor R1 może regulować szybkość ładowania kondensatora.

Im szybciej kondensator jest ładowany, tym wcześniej pojawia się impuls otwierający, tym większe napięcie dostarczane do obciążenia. Druga półfala napięcia sieciowego przechodzi bez obciążenia do obciążenia przez diodę VD3. Do zasilania obwodu generatora impulsów sterujących stosuje się prostownik VD2, R5 i diodę Zenera VD1.

Tutaj możesz zapytać, a kiedy tranzystor się otworzy, jaki jest próg? Otwarcie tranzystora następuje w momencie, gdy napięcie na jego emiterze E przekracza napięcie na podstawie B1. Bazy B1 i B2 nie są równoważne; jeśli zostaną zamienione, generator nie będzie działał.

Rysunek 6 pokazuje obwód, który pozwala wyregulować oba półcykli napięcia.

Rycina 6

Schemat to ściemniacz. Napięcie sieciowe jest prostowane przez mostek VD1-VD4, po czym napięcie tętnienia jest dostarczane do lampy EL1, tyrystora VS1 i przez rezystory R3, R4 do diod Zenera VD5, VD6, z których zasilany jest obwód sterujący. Zastosowanie mostka prostowniczego w obwodzie umożliwia regulację dodatnich i ujemnych półcyklów za pomocą tylko jednego tyrystora.

Obwód sterujący jest również wykonywany na tranzystorze dwubazowym KT117A. Prędkość ładowania kondensatora synchronizującego C2 jest zmieniana przez rezystor R6, co powoduje zmianę fazy sygnału sterującego tyrystora.

Można wspomnieć o tym obwodzie: prąd w obciążeniu składa się tylko z dodatnich półcyklów sieci uzyskanych po prostowniku mostkowym. Jeśli wymagane jest uzyskanie dodatnich i ujemnych części sinusoidy w obciążeniu, wystarczy, bez zmiany czegokolwiek w obwodzie, włączyć obciążenie natychmiast po bezpieczniku. Zamiast ładunku po prostu zainstaluj zworkę. Taki obwód pokazano na ryc. 7.

Rysunek 7. Schemat tyrystorowego sterownika mocy

Tranzystor KT117 jest wynalazkiem radzieckiego przemysłu elektronicznego i nie ma obcych analogów, ale w razie potrzeby można go zmontować z dwóch tranzystorów zgodnie z obwodem pokazanym na rysunku 8. Nagle ktoś podejmie się złożenia podobnego obwodu, skąd mogę dostać taki tranzystor?

Rycina 8

W obwodach pokazanych na rysunkach 6 i 7 tyrystor stosuje się w połączeniu z mostkiem diodowym. Włączenie to umożliwia za pomocą jednego tyrystora kontrolowanie obu półokresów napięcia przemiennego. Ale jednocześnie pojawiają się 4 dodatkowe diody, co ogólnie zwiększa wymiary konstrukcji.

Kontynuacja artykułu: Tyrystorowe sterowniki mocy. Obwody z dwoma tyrystorami

Boris Aladyshkin