Найпростіше включення тиристора та симистора

У різних електронних пристроях в колах змінного струму в якості силових ключів широко застосовують триністори та симистори. Ця стаття призначена допомогти у виборі схеми управління подібними приладами.

Самий простий спосіб керування тиристорами — це подача на керуючий електрод приладу постійного струму величиною, необхідною для його включення (рис. 1). Ключ SA1 на рис. 1 та на наступних рисунках — це будь-який елемент, що забезпечує замикання кола: транзистор, вихідний каскад мікросхеми, оптрон та інші. Цей спосіб простий та зручний, але він має суттєвий недолік — необхідна доволі велика потужність керуючого сигналу. В табл. 1 наведені найбільш важливі параметри для забезпечення надійного управління деякими самими розповсюдженими тиристорами (три перших позиції займають триністори, інші — симистори). При кімнатній температурі для гарантованого включення перелічених тиристорів потрібний струм управляючого електрода Iу вкл рівний 70–160 мА. Отже, при напрузі живлення, типовій для зібраних на мікросхемах вузлів управління (10–15 В), потрібна постійна потужність 0,7–2,4 Вт.

Звернемо увагу на те, що полярність управляючої напруги для триністорів додатня відносно катода, а для симисторів — або від'ємна для обох нвпівперіодів, або співпадаюча з полярністю напруга на аноді. Також можна додати, що часто у згідно з вказівками по застосуванню потрібне шунтування керуючого переходу триністорів опором 51 Ом (R2 на рис. 1) та не потрібно ніякого шунтування для симисторів.

Реальні величини струму керуючого електрода, достатнього для увімкнення тиристора, зазвичай менше цифр, наведених у табл. 1, тому нерідко ідуть на його зниження відносно гарантованих значень: для триністорів — до 7–40 мА, для симисторів — до 50–60 мА. Таке зниження часто призводить до ненадійної роботи пристроїв, та необхідності попередньої перевірки або підбору тиристорів. Зменшення керуючого струму також може призводити до виникнення завад радіоприйманню, оскільки увімкнення тиристорів за малих струмів управляючого електрода відбувається за відносно великої напруги на аноді — декілька десятків вольт, що призводить до пульсацій струму через навантаження та, отже, до потужних завад.

Недоліком управління тиристорами постійним струмом є гальванічний зв'язок джерела керуючого сигналу та мережі. Якщо у схемі з симистором (рис. 1, б) за відповідного увімкнення мережевих дротів джерело керуючого сигналу можна з'єднати з нульовим дротом, то в разі використання триністора (рис 1, а) така можливість виникає лише за виключення випрямляючого моста VD1–VD4. Останнє призводить до однонапівперіодної подачі напруги на навантаження та подвійного зменшення подачі потужності.

В останній час в зв'язку з великою потужністю споживання запуск тиристорів постійним струмом при безтрансформаторному живленні пускових вузлів (з гасячим резистором або конденсатором) практично не використовується.

Одним з варіантів зниження споживаної вузлом управління потужності є використання замість постійного струму неперервної послідовності імпульсів з відносно великою скважністю. Оскільки час увімкнення типових триністорів складає 10 мкс та менше, можна подавати на їх управляючий електрод імпульси такої ж тривалості зі скважністю, наприклад, 5–10–20, що відповідає частоті 20–10–5 кГц. В цьому випадку споживана потужність також зменшується в 5–10–20 разів відповідно.

Однак при такому способі управління виявляються деякі нові недоліки. По-перше, тепер тиристор вмикається не на самому початку напівперіода мережевої напруги, а у довільні миті часу, що відрізняються від початку напівперіода на час, що не перевищує періоду запускаючих імпульсів, тобто 50–100–200 мкс.

За цей час напруга мережі може підвищітись приблизно до 5–10–20 В. Це призведе до виникнення завад радіоприйманню та до деякого зменшення вихідної напруги, хоча малопомітному.

Існує ще одна проблема. Якщо при увімкненні на початку півперіода під час дії запускаючого імпульса струм через тиристор не досягає струму утримування (Iут, табл. 1), тиристор після завершення імпульса вимкнеться. Наступний імпульс знову включить тиристор, та він не вимкнеться лише у тому випадку, якщо до момента завершення імпульсу струм через нього буде більше струму утримування. Таким чином, струм через навантаження спочатку буде мати вигляд декількох коротких імпульсів та лише потім — синусоїдальну форму.

Якщо ж навантаження має активноіндуктивний характер (наприклад, електродвигун), струм через неї за час дії короткого вмикаючого імпульса може не встигнути досягнути величини струму утримування, навіть коли миттєва напруга мережі максимальна. Тиристор після закінчення кожного імпульса буде вимикатися. Цей недолік обмежує знизу тривалість запускаючих імпульсів та може звести на нівець зменшення споживаної потужності.

Схема увімкнення тиристора та симистора з імпульсним запуском

Застосування імпульсного запуску полегшує гальваничну розв'язку між вузлом керування та мережею, так-як її може забезпечити навіть невеликий трансформатор з коефіцієнтом трансформації, близьким до 1:1. Його зазвичай намотують на феритовому кільці діаметром 16–20 мм з ретельно виконаною ізоляцією між обмотками. Слід застерегти від застосування малогабаритних імпульсних трансформаторів промислового виготовлення. Зазвичай, вони мають низьку напругу ізоляції (біля 50–100 В) та можуть слугувати причиною враження електричним струмом, якщо при використанні приладу буде вважатись, що коло управління ізольоване від мережі.

Схема увімкнення тиристора та симистора з імпульсним запуском.

Зниження необхідної при імпульсному управлінні потужності та можливість внесення гальванічної розв'язки дозволяють застосувати у вузлах управління тиристорами безтрансформаторне живлення.

Увімкнення тиристора через ключ та обмежувальний резистор

Третій широко розповсюджений спосіб увімкнення тиристорів — подача на управляючий електрод сигналу з його анода через ключ та обмежувальний резистор (рис. 2). В такому вузлі струм через ключ протікає на протязі декількох мікросекунд, поки вмикається тиристор, якщо напруга на аноді достатньо велика. У якості ключів використовують малошумлячі електромагнітні реле, високовольтні біполярні транзистори, фотодіністори або фотосимистори (схеми на рис. 2 відповідно). Спосіб увімкнення тиристора простий та зручний, некритичний до наявності в навантаження індуктивної складової, але має недолік, на який нерідко не звертають увагу.

Недолік пов'язаний з протиріччами вимог до обмежувального резистора R1. З одного боку, його опір повинний бути якомога менший, щоб увімкнення тиристора відбувалось найближче до початку напівперіода мережевої напруги. З іншого боку, під час першого відкриття ключа, якщо воно не синхронізовано з моментом проходження мережевої напруги через нуль, напруга на резисторі R1 може досягати амплітудної напруги мережі, тобто складати 310–350 В. Імпульс струму через цей резистор не повинний перевищувати допустимих значень для ключа та керуючого переходу тиристора. В табл. 2 наведені деякі параметри найбільш часто використовуваних вітчизняних фототиристорів (прилади серій АОУ103/3ОУ103 та АОУ115 — фотодіністори, АОУ — фотосимистори). ВИходячи із значень максимально допустимого імпульсного струму управління (табл. 1) та максимального імпульсного струму через ключ (табл. 2), можна для кожної конкретної пари приладів визначити мінімально допустимий опір обмежувального резистора. Наприклад, для пари КУ208Г (Iу, вкл макс = 1 А) та АОУ160А (Iмакс, імп = 2 А) можна вибрати R1 = 330 Ом. Якщо струм управляючого електрода, при якому відбувається увімкнення симистора, відповідає його максимальному значенню 160 мА, симистор буде вмикатися при напрузі на аноді, що дорівнює 0,16·330 = 53 В.

Як у випадку з подачею управляючих імпульсів відносно великої скважності, це призводить до виникнення завад та до деякого зменшення вихідної напруги. Оскільки реальна чутливість тиристорів по управляючому електроду зазвичай краще, затримка відкриття тиристора відносно початку напівперіоду менше розрахункової вище граничного значення.

Опір обмежувального резистора R1 може бути зменшений на величину опору навантаження, оскільки у момент увімкнення вони включені послідовно.

Більш того, якщо навантаження має гарантовано індуктивно-резистивний характер, можна ще більше зменшити опір вказаного резистора. Однак якщо навантаження це лампи розжарення, треба пам'ятати, що їх холодний опір приблизно у десятеро разів менший за робочий.

Слід також мати на увазі, що вмикаючий струм симисторів має різну величину для додатньої та від'ємної напівхвиль мережевої напруги. Тому у вихідній напрузі може з'явитись невеличка постійна складова.

З фотодіністорів серії АОУ103/3ОУ103 для управління тиристорами в мережі 220 В за максимально допустимою напругою підходять тільки 3ОУ103Г, однак неодноразово перевірено, що і АОУ103Б і АОУ103В гідні для роботи в цьому режимі.

Відмінність між приладами з індексами Б та В полягає в тому, що подача напруги зворотньої полярності на АОУ103Б не допускається. Аналогічно і відмінність між АОУ115Г та АОУ115Д: прилади з індексом Д допускають подачу зворотньої напруги, з індексом Г — ні.

Суттєвого скорочення споживаної колами управління потужності можна досягти, якщо вмикати струм управляючого електрода в момент увімкнення тиристора. Два варіанти схем вузлів управління, що забеспечують такий режим, наведені на рис. 3.

Включення триністора в схемі на рис. 3, а відбувається в момент замикання контактів ключа SA1. Післе увімкнення триністора елемент DD1.1 вимикається, та струм управляючого електрода припиняється, що суттєво економить споживання за колом управління. Якщо напруга на триністорі в момент увімкнення SA1 буде меншою за поріг переключення DD1.1, триністор не увімкнеться, поки напруга на ньому не досягне цього порогу, тобто не стане дещо більше половини напруги живлення мікросхеми. Регулювати порогову напругу можна підбиранням опору нижнього плеча ділителя - резистора R6. Резистор R2 забезпечує низький логічний рівень на вході 1 елемента DD1.1 під час закриття триністора VS1 та діодного моста VD2.

Для аналогічного увімкнення симистора необхідний вузол двохполярного управління елементом співпадіння DD1.1 (рис. 3, б). Цей вузол зібраний на транзисторах VT1, VT2 та резисторах R2–R4. Транзистор VT1 увімкнений за схемою із загальною базою, та напруга на його колекторі стає за модулем меншою за поріг переключення елементу DD1.1, коли напруга на аноді симистора VS1 додатня відносно катода та перевищує його приблизно на 7 В. Аналогічно транзистор VT2 входить у насичення, коли від'ємна напруга на аноді стає за модулем більше –6 В.

Такий вузол відпрацювання моменту проходження напруги через нуль широко застосовується в різноманітних розробках. При всій здавалось би привабливості вузли, виконані за схемами, наведеними на рис. 3, та подібні їм аналогічні, мають суттєвий недолік: якщо за якою-небудь причиною тиристор не увімкнеться, струм через його управляючий електрод буде протікати невизначено довго. Тому необхідно застосовувати спеціальні заходи по обмеженню довжини імпульсу або розраховувати джерело живлення на повний струм, тобто на таку ж потужність, як і для вузлів за схемою на рис. 1.

Найбільш економічні схеми управління використовують формування одиничного вмикаючого імпульсу поблизу переходу мережевої напруги через нуль. Дві нескладних схеми таких формувачів наведені на рис. 4, а часові діаграми їх роботи — на рис. 5 (а та б відповідно). Недоліком, хоча абсолютно несуттєвим у більшості випадків, є те, що перше увімкнення відбувається не на самому початку напівперіода мережевої напруги, а в самому кінці того, під час якого був замкнений ключ SA1.

Подвійна тривалість включаючого імпульсу 2Т0 визначається порогом переключення элемента АБО НЕ з врахуванням ділителя R2R3 (рис. 4, а) або порогом формувача на VT1, VT2 (рис. 4, б), і розраховується за формулою

13.jpg (613 bytes)

Швидкість зміни мережевої напруги при переході через нуль

14.jpg (926 bytes)

і при Uпор = 50 В подвійна тривалість складає 2Т0 = 1 мс. Скважність імпульсів рівна 10, і середній споживаний  струм в 10 разів менше за амплітудне значення, необхідне для надійного включення тиристора.

Мінімальна тривалість включаючого імпульсу визначається тим, що він повинен закінчуватись не раніше, ніж струм через напруження досягне струму утримання тиристора. Наприклад, якщо навантаження має потужність 200 Вт (Rн = 2202/200 = 242 Ом), а струм утримання  симистора КУ208 — 150 мА, то цей струм досягається при миттєвій напрузі в мережі 242·0, 15 = 36 В, тобто при швидкості наростання 100 В/мс закінчення імпульсу запуску повинно бути не раніше, ніж через 360 мкс від моменту переходу напруги через нуль. Знизити споживану потужність ще приблизно в десять раз можна за рахунок подачі на третій вхід елементів АБО — НЕ схем на рис. 4 неперервної послідовності імпульсів (показано штриховими лініями), як це було згадано на початку статті стосовно вузлів по схемам на рис. 1. При цьому проявляються ті же недоліки, що і при неперервній подачі імпульсів на управляючий електрод.

Для зменшення втрат потужності можна зформований у вузлах за схемами на рис. 4 імпульс, продиференціювати його, та продиференційований задній фронт використати як запускаючий для тиристора (рис. 6). Параметри цього запускаючого імпульса Ті слід вибирати так. Він повинний починатись як можливо раніше після проходження мережевої напруги через нуль, щоб стрибок струму через навантаження у момент увімкнення на початку кожного напівперіода був би мінімальним та мінімальними були б завади та втрати потужності. Тут ширина імпульсу, що формується в момент проходження напруги мережі через нуль, обмежена знизу тільки часом перезаряду диференціюючого кола C1R7 та може бути достатньо малою, але скінченною. Закінчуватись імпульс повинний, як і для попереднього варіанту, не раніше, ніж коли струм через навантаження досягне струму утримування тиристора.

При роботі вузлів за схемами на рис. 7 та 8 подача на управляючий електрод імпульсу увімкнення випрямляє вихідну характеристику тиристора в момент проходження мережевої напруги через нуль та за правильно вибраної тривалості імпульсу утримує тиристор в увімкненому стані до моменту досягнення струму утримування навіть за наявності невеликого індуктивного складової навантаження. Джерело живлення таких вузлів може бути зібраний по безтрансформаторній схемі з гасячим резистором або, що ще краще, конденсатором. Перешкод радіоприйому таке включення тиристорів не створює і може бути рекомендовано для всіх випадків управління навантаженнями з малою індуктивною складовою.

Якщо ж навантаження має виражений індуктивний характер, можна рекомендувати схеми управління, приведені на рис. 2. Для зменшення перешкод  радіоприйому необхідно включення в мережеві  дроти перешкодоподавляючих фільтрів, а якщо дроти від  регулятора до навантаження мають помітну довжину, то і в ці дроти також.

Вище були розглянуті варіанти управління тиристорами при їх використання в якості ключів. При фазоімпульсному управлінні потужністю навантажень можна використовувати описані вище схемотехнічні рішення по формуванню імпульсів в моменти переходу мережевої напруги через нуль для запуску вузла тиристора, що задає час. Відмітимо, що такий вузол повинен давати стабільну затримку включення тиристора, що не залежить від напруги мережі і температури, а тривалість імпульсу, що формується повинна забезпечити досягнення струму утримання незалежно від моменту включення навантаження в межах напівперіоду.