Изучены простые схемы управления фазой симистора

В схеме управления фазой симистора симистор включается только для определенных частей полупериодов переменного тока, заставляя нагрузку работать только в течение этого периода формы волны переменного тока. Это приводит к контролируемой подаче мощности на нагрузку.

Симисторы обычно используются в качестве твердотельной замены реле для переключения мощных нагрузок переменного тока. Однако есть еще одна очень полезная функция симисторов, которая позволяет использовать их в качестве контроллеров мощности для управления данной нагрузкой на желаемых конкретных уровнях мощности.

Это в основном реализуется с помощью пары методов: фазового управления и переключения при нулевом напряжении.

Приложение для управления фазой обычно подходит для таких нагрузок, как регуляторы освещения, электродвигатели, а также методы регулирования напряжения и тока.

Переключение при нулевом напряжении больше подходит для резистивных нагрузок, таких как лампы накаливания, нагреватели, паяльники, гейзеры и т. Д. Хотя ими также можно управлять с помощью метода фазового регулирования.

Как работает управление фазой симистора

Симистор может быть приведен в действие в любой части применяемого полупериода переменного тока, и он будет продолжать находиться в проводящем режиме до тех пор, пока полупериод переменного тока не достигнет линии пересечения нуля.

Это означает, что когда симистор срабатывает в начале каждого полупериода переменного тока, симистор по существу включается так же, как выключатель ВКЛ / ВЫКЛ.

Однако предположим, что если этот запускающий сигнал используется где-то на полпути формы сигнала цикла переменного тока, симистору будет разрешено проводить просто в течение оставшегося периода этого полупериода.

И потому что Симистор активируется только на половину периода он пропорционально снижает мощность, подаваемую на нагрузку, примерно на 50% (рис. 1).

Таким образом, мощностью нагрузки можно управлять на любом желаемом уровне, просто изменяя точку срабатывания симистора на форме сигнала фазы переменного тока. Так работает фазовый контроль с помощью симистора.

Применение светорегулятора

К стандартная схема регулятора освещенности представлен на рис. 2 ниже. В течение каждого полупериода переменного тока конденсатор 0,1 мкФ заряжается (через сопротивление управляющего потенциометра) до тех пор, пока на его выводах не будет достигнут уровень напряжения 30-32.

Примерно на этом уровне триггерный диод (диак) вынужден срабатывать, заставляя напряжение проходить триггер через затвор симистора.

К неоновая лампа может также использоваться вместо диакон за такой же ответ. Время, затрачиваемое конденсатором 0,1 мкФ на зарядку до порога срабатывания диака, зависит от настройки сопротивления управляющего потенциометра.

Теперь предположим, что если потенциометр настроен на нулевое сопротивление, заставит конденсатор мгновенно заряжаться до уровня срабатывания диака, что, в свою очередь, приведет к переходу в проводимость в течение почти всего полупериода переменного тока.

С другой стороны, когда потенциометр настроен на максимальное значение сопротивления, это может вызвать конденсатор заряжаться до уровня обжига только до тех пор, пока полупериод почти не достигнет своей конечной точки. Это позволит

Симистор должен проводить только очень короткое время, пока сигнал переменного тока проходит через конец полупериода.

Хотя схема диммера, показанная выше, действительно проста и недорога в изготовлении, имеет одно существенное ограничение - она ​​не позволяет плавно регулировать мощность нагрузки от нуля до максимума.

Когда мы вращаем потенциометр, мы можем обнаружить, что ток нагрузки довольно резко возрастает от нуля до некоторых более высоких уровней, и только тогда он может плавно работать на более высоких или низких уровнях.

В случае кратковременного отключения питания переменного тока и снижения яркости лампы ниже этого «скачка» (гистерезиса), лампа остается выключенной даже после окончательного восстановления подачи питания.

Как уменьшить гистерезис

Этот эффект гистерезиса можно существенно снизить, реализовав конструкцию, показанную на схеме на рис. 3 ниже.

Исправление: замените 100 мкФ на 100 мкГн для катушки ВЧ-помех.

Эта схема отлично работает как бытовой светорегулятор . Все части могут быть установлены в задней части настенного распределительного щита, и в случае, если нагрузка окажется ниже 200 Вт, симистор может работать независимо от радиатора.

Практически 100% отсутствие гистерезиса необходимо для диммеров, используемых в оркестровых представлениях и театрах, чтобы обеспечить постоянное управление освещением ламп. Эта особенность может быть реализована при работе со схемой, показанной на рисунке 4 ниже.

Исправление: замените 100 мкФ на 100 мкГн для катушки ВЧ-помех.

Выбор мощности симистора

Лампы накаливания потребляют невероятно большой ток в период, когда нить накаливания достигает своих рабочих температур. Этот включить всплеск ток может превышать номинальный ток симистора примерно в 10–12 раз.

К счастью, бытовые лампочки могут достичь своей рабочей температуры всего за пару циклов переменного тока, и этот короткий период высокого тока легко поглощается симистором без каких-либо проблем.

Однако ситуация может быть иной для сценариев театрального освещения, в которых лампам большей мощности требуется гораздо больше времени для достижения своей рабочей температуры. Для такого типа приложений симистор должен иметь номинальную нагрузку как минимум в 5 раз превышающую типичную максимальную нагрузку.

Колебания напряжения в цепях управления фазой симистора

Каждая из схем управления фазой симистора, показанных до сих пор, зависит от напряжения, то есть их выходное напряжение изменяется в ответ на изменения входного напряжения питания. Эта зависимость от напряжения может быть устранена с помощью стабилитрона, который может стабилизировать и поддерживать постоянным напряжение на синхронизирующем конденсаторе (рис. 4).

Такая настройка помогает поддерживать практически постоянный выходной сигнал независимо от любых значительных колебаний входного напряжения сети переменного тока. Его регулярно используют в фотографических и других сферах, где очень важен стабильный и фиксированный уровень света.

Управление люминесцентными лампами

Обращаясь ко всем схемам управления фазой, объясненным до сих пор, лампами накаливания можно было управлять без каких-либо дополнительных изменений существующей системы домашнего освещения.

Диммирование люминесцентных ламп также возможно с помощью такого типа управления фазой симистора. Когда внешняя температура галогенной лампы опускается ниже 2500 градусов C, цикл регенерации галогена перестает работать.

Это может привести к осаждению вольфрамовой нити на стенке лампы, что приведет к сокращению срока службы нити и ограничению передачи света через стекло. Регулировка, которая часто используется вместе с некоторыми из рассмотренных выше схем, показана на рис.5.

Эта установка включает лампы, когда наступает темнота, и выключает их снова на рассвете. Фотоэлемент должен видеть окружающий свет, но быть экранированным от регулируемой лампы.

Контроль скорости двигателя

Контроль фазы симистора также позволяет регулировать скорость электродвигателей . Обычным типом двигателя с последовательной обмоткой можно управлять с помощью схем, подобных тем, которые используются для регулирования яркости света.

Однако, чтобы гарантировать надежную коммутацию, конденсатор и последовательное сопротивление необходимо подключить параллельно через симистор (рис. 6).

Благодаря этой настройке скорость двигателя может изменяться в зависимости от изменений нагрузки и напряжения питания.

Однако для приложений, которые не являются критическими (например, управление скоростью вентилятора), в которых нагрузка фиксирована на любой заданной скорости, схема не требует никаких изменений.

Скорость двигателя, которая обычно, когда она предварительно запрограммирована, остается постоянной даже при изменении условий нагрузки, оказывается полезной характеристикой для электроинструментов, лабораторных мешалок, гончарных кругов часовых мастеров и т. Д. Для достижения этой функции «определения нагрузки» в полуволновую схему обычно включают тринистор (рис. 7).

Схема работает довольно хорошо в ограниченном диапазон скорости двигателя хотя он может быть уязвим для «икоты» на низких скоростях, а правило полуволновой работы препятствует стабильной работе, намного превышающей диапазон скоростей 50%. Схема управления фазой с измерением нагрузки, в которой симистор обеспечивает управление от нуля до максимума, показана на рис.8.

Управление скоростью асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели Скорость также можно регулировать с помощью симисторов, хотя вы можете столкнуться с некоторыми трудностями, особенно если задействованы двигатели с расщепленной фазой или конденсаторные двигатели. Обычно асинхронные двигатели могут управляться от полной до половинной скорости, при условии, что они не загружены на 100%.

Температуру двигателя можно использовать как довольно надежный эталон. Температура никогда не должна выходить за рамки спецификаций производителя на любой скорости.

И снова, может быть применена улучшенная схема регулятора освещенности, показанная на рис. 6 выше, однако нагрузка должна быть подключена в другом месте, как показано пунктирными линиями.

Изменение напряжения трансформатора посредством управления фазой

Схема, описанная выше, также может быть использована для регулирования напряжения в первичной обмотке трансформатора, тем самым получая вторичный выходной сигнал с переменной скоростью.

Эта конструкция применялась в различных контроллерах ламп микроскопов. Переменная установка нуля была обеспечена путем замены резистора 47 кОм на потенциометр 100 кОм.

Контроль тепловых нагрузок

Различные схемы управления фазой симистора, рассмотренные до сих пор, могут применяться для управления нагрузкой типа нагревателя, хотя контролируемая температура нагрузки может изменяться с изменениями входного переменного напряжения и окружающей температуры. Схема, компенсирующая такие изменяющиеся параметры, показана на рис.10.

Гипотетически эта схема могла бы поддерживать температуру стабилизированной с точностью до 1% от заданной точки, независимо от изменений напряжения сети переменного тока на +/- 10%. Точная общая производительность может определяться структурой и дизайном системы, в которой применяется контроллер.

Эта схема обеспечивает относительный контроль, что означает, что общая мощность подается на нагревательную нагрузку, когда нагрузка начинает нагреваться, затем в какой-то промежуточный момент мощность снижается с помощью меры, которая пропорциональна разнице между фактической температурой нагрузки и предполагаемой температуры нагрузки.

Пропорциональный диапазон можно изменять с помощью регулятора «усиления». Схема проста, но эффективна, однако имеет один существенный недостаток, который ограничивает ее использование в основном более легкими нагрузками. Этот вопрос касается излучения сильных радиопомех из-за прерывания фазы симистора.

Радиочастотные помехи в системах контроля фазы

Все симисторные устройства управления фазой вырабатывают огромное количество радиочастотных помех (радиочастотные помехи или радиопомехи). В основном это происходит на низких и средних частотах.

Радиочастотное излучение сильно улавливается всеми ближайшими средневолновыми радиоприемниками и даже звуковым оборудованием и усилителями, создавая раздражающий громкий звонкий звук.

Этот RFI может также повлиять на оборудование исследовательских лабораторий, особенно на pH-метры, что приведет к непредсказуемой работе компьютеров и других подобных чувствительных электронных устройств.

Возможным средством уменьшения радиопомех является добавление радиочастотного индуктора последовательно с линией питания (обозначенной в схемах как L1). Дроссель подходящего размера можно построить, намотав от 40 до 50 витков суперэмалированной медной проволоки на небольшой ферритовый стержень или любой ферритовый сердечник.

Это может привести к индуктивности прибл. 100 мкГн, подавляющие колебания радиопомех в значительной степени. Для усиленного подавления может быть важным максимально увеличить количество витков до максимально возможного значения или индуктивности до 5 Гн.

Недостаток RF Choke

Недостатком этого типа схемы управления фазой симистора на основе РЧ-катушки является то, что мощность нагрузки следует учитывать в соответствии с толщиной провода дросселя. Поскольку нагрузка должна быть в киловаттном диапазоне, тогда провод RF-дросселя должен быть достаточно толстым, что приведет к значительному увеличению размера катушки и ее громоздкости.

Радиочастотный шум пропорционален мощности нагрузки, поэтому более высокие нагрузки могут вызвать более высокое радиочастотное излучение, требующее более совершенной схемы подавления.

Эта проблема может быть не такой серьезной для индуктивные нагрузки как и электродвигатели, поскольку в таких случаях обмотка нагрузки сама ослабляет ВЧ-помехи. Управление фазой симистора также связано с дополнительной проблемой - это коэффициент мощности нагрузки.

На коэффициент мощности нагрузки может повлиять отрицательное влияние, и это проблема, к которой регуляторы источника питания относятся весьма серьезно.