Для коммутации нагрузки в силовой электронике вместо электромеханических реле широко применяются твердотельные ключи. В цепях переменного тока удобно использовать симметричные элементы – симисторы (триаки). С их помощью можно строить регуляторы мощности для различных потребителей.
Преимущества использования схемы на симисторе
Самое главное достоинство симисторов, как любых других полупроводниковых ключей – отсутствие механических контактов и движущихся механических узлов. Это ведет:
- к повышению долговечности;
- отсутствию необходимости периодического обслуживания (очистки);
- бесшумной работе;
- высокому быстродействию;
- уменьшению уровня электромагнитных помех (вследствие отсутствия искрообразования).
Среди других достоинств симисторов надо отметить:
- Небольшие размеры.
- Простоту управления.
- Невысокую стоимость.
Кроме того, ресурс полупроводниковых приборов при правильной эксплуатации достаточно велик и не зависит от количества циклов включения-выключения.
Не обходится и без минусов. Так, для коммутации больших токов требуется радиатор, что нивелирует плюс в виде малых габаритов и массы. Также к недостаткам надо отнести низкую рабочую частоту, сдерживающую применение триаков в преобразовательных устройствах.
Существенным минусом можно считать и плохую работу при коммутации реактивной (индуктивной и ёмкостной) нагрузки. Этот недостаток и способы его преодоления будут разобраны далее при рассмотрении практических схем.
Основные принципы работы регуляторов мощности на симисторе
Регуляторы мощности на симисторах можно разделить на две категории:
- с фазоимпульсным управлением;
- циклические, работающие по принципу пропускания в нагрузку целого числа периодов напряжения.
При реализации фазоимпульсного способа полупроводниковый ключ включается каждый полупериод после перехода сетевого напряжения через нулевой уровень. Если симистор включается сразу после перехода, то ток через нагрузку течет в течение всего полупериода. Если задержать включение (например, посредством RC-цепочки), то начальная часть полуволны окажется «вырезанной», и ток в течение времени задержки в нагрузку не пойдет. Регулируя момент включения, можно управлять временем, в течение которого нагрузка будет запитана, и таким способом изменять среднюю мощность, выделяющуюся на потребителе. Чем позже включается ключ, тем меньшую среднюю мощность потребляет нагрузка. В момент следующего перехода синусодиды через ноль, симистор отключится.
Строго говоря, полупроводниковый ключ запрется чуть раньше – когда ток силовой цепи снизится ниже порога удержания. Поэтому момент закрывания зависит от мощности нагрузки.
Существенным минусом реализации этого способа регулирования на практике является резко несинусоидальная форма тока, потребляемого нагрузкой. Это ведет к генерации импульсных помех.
При циклическом способе регулирования ключ включается и выключается в моменты перехода сетевого напряжения через нулевое значение. Регулирование осуществляется путем изменения числа целых полупериодов, в течение которых потребитель оказывается запитан. Изменяя соотношение рабочих и пропущенных полупериодов, можно изменять среднюю мощность, выделяемую на нагрузке.
Обзор популярных схем на симисторах
Поняв принцип работы регуляторов напряжения, можно перейти к рассмотрению нескольких практических схем, которые можно сделать своими руками при наличии навыков и базовых знаний в области электроники.
Регулятор мощности на симисторе
Эта схема является классическим вариантом простого регулятора мощности на принципе фазоимпульсного управления. Управляющие импульсы формируются динистором VS1, задержка относительно начала полупериода регулируется временем зарядки конденсатора С1. Это время можно задавать, изменяя сопротивление потенциометра R1. В качестве главного ключа применим любой симистор, лишь бы он был рассчитан на рабочее напряжение и на мощность нагрузки.
Этот регулятор можно применить для паяльника (регулировать температуру жала), для лампы накаливания (регулировать яркость свечения) или для иной нагрузки, обладающей значительной тепловой инерцией. Для LED-ламп эта схема малопригодна, такое регулирование может привести к мерцанию. Пусть даже мерцание незаметно визуально, оно все равно будет присутствовать и приводить к чрезмерному утомлению глаз.
Улучшенный регулятор мощности
Предыдущая схема регулятора мощности на симисторе при всей своей простоте имеет существенный недостаток. Она плохо работает с реактивной нагрузкой (на практике чаще всего встречается индуктивная). Это значит, что триак при регулировании мощности, например, трансформаторной нагрузки может «пропускать» импульсы управления, не переключаясь из открытого состояния в закрытое. Связано это с тем, что симистор отключается в момент перехода переменного тока через нулевое значение. При обычной (омической) нагрузке в этот же момент достигается нулевое значение напряжения. Если в силовой цепи присутствует реактивность, то имеет место сдвиг между током и напряжением, в момент перехода тока через ноль напряжение может быть достаточно большим, и если скорость спада напряжения велика, то тиристор может не перейти в закрытое состояние.
Чтобы избежать этого вредного эффекта, параллельно триаку ставят последовательную RC-цепочку (снаббер). Она ограничивает скорость нарастания напряжения между условным катодом и условным анодом.
Того же эффекта можно добиться, устанавливая параллельно главной цепи симистора варистор.
На рисунке приведена схема регулятора напряжения, более подходящего для индуктивной нагрузки. Она имеет лишь одно принципиальное отличие от предыдущего варианта. Параллельно главной цепи полупроводникового ключа подключена цепочка R5C3, задерживающая нарастание напряжения между условным катодом и условным анодом. Такая схема больше подходит для индуктивной нагрузки.
Регулятор на микросхеме
Фазоимпульсное управление симистором можно осуществить и на микросхеме КР1182ПМ1. Эта микросхема используется для работы с симистором и требует минимального количества внешних элементов.
Микросхема содержит встроенные тиристоры, и для управления маломощной нагрузкой не нужен даже внешний симистор, но для увеличения мощности и расширении сферы применения регулятора все же надо установить дополнительный триак.
Циклический регулятор мощности
Регуляторы, построенные по циклическому принципу, гораздо менее распространены. Их используют для нагрузок, обладающих еще более значительной тепловой инерцией, например, для ТЭНов. Очевидно, что схема управления сложнее. Зато такие устройства «сыплют» меньше помех в питающую сеть, так как не только отключение, но и включение происходит в момент перехода через ноль.
Недорогой регулятор мощности заводского изготовления
Все разобранные выше схемы можно изготовить самостоятельно, но, если желания и возможности нет, можно приобрести готовый китайский модуль (в специализированных магазинах или на интернет-площадках). При изучении его конструкции выяснилось, что он собран по стандартной схеме и оснащен снаббером в виде RC-цепочки R1C2.
По результатам многочисленных испытаний выяснилось, что этот узел неплохо работает не только с нагревательной нагрузкой, но и может быть применен в качестве регулятора вращения коллекторных двигателей, например, пылесоса или вентилятора. Частоту вращения асинхронных электромоторов, к сожалению, изменять с помощью этого модуля не получится.
Несмотря на определенные ограничения в применении симистора в качестве ключевого элемента в управлении током и мощностью нагрузки, преимущества бесконтактных силовых ключей очевидны и в большинстве случаев перевешивают недостатки. Задача конструктора – оптимально использовать достоинства этого электронного прибора, одновременно обходя и нивелируя минусы.
