Тиристорные и симисторные регуляторы напряжения для индуктивной нагрузки

Регулятор мощности нагрузки

Симисторы и тиристоры используются во многих электросхемах, в быту и на производстве. Ниже описано, что из себя представляет регулятор мощности, каковы его разновидности и где они применяются. Также будет дана инструкция, как собрать стабилизатор напряжения своими руками.

Что такое регулятор мощности

Самые первые прототипы устройств, позволяющих уменьшать проводимую к нагрузке мощность, были разработаны с учетом закона Ома. На этом принципе и основано функционирование реостата. Его можно подключать последовательно и параллельно нагрузке. При изменении сопротивления реостата можно регулировать его мощность.

Что собой представляет регулятор мощности

При подключении реостата к нагрузке ток распределяется между ними. В зависимости от способа подключения можно контролировать разные параметры: при параллельном — разницу потенциалов, а при последовательном — напряжение и силу тока. Реостаты различаются в зависимости от использованного в их конструкции материала: металла, керамики, угля или жидкости.

При использовании реостата поглощенная им энергия никуда не исчезает, а преобразуется в тепло. При большом количестве энергии целесообразно использовать системы охлаждения, чтобы температура устройства не была слишком высокой. Отводят тепло обычно с помощью обдува или погружая резистор в масло.

Такие простейшие реостаты широко применяются, но есть один значимый недостаток — невозможность использовать его в мощных электрических цепях. Поэтому резисторы применяются только в бытовых целях (к примеру, такие есть в конструкции радио).

Обратите внимание! Обычный реостат можно сделать и самому, для этого понадобится только проволока из нихрома или константана. Ее необходимо намотать на оправку, при этом изменение проходящей мощности происходит за счет регулировки длины проволоки.

Все полупроводниковые устройства сделаны на переходах или слоях (n-p, p-n). Простой диод — 1 переход и 2 слоя. Биполярный транзистор — 2 перехода и 3 слоя (трехфазный). А при добавлении четвертого слоя как раз и образуется стабилизатор мощности — тиристор. При соединении 2 тиристоров встречно-параллельно получается симистор.

Как работает регулятор мощности в трансформаторе

В трансформаторе обычно используется симисторный регулятор мощности для индуктивной нагрузки. Он работает как электронный ключ, раскрываясь и запираясь, причем частота задается схемой управления. Ток по симистору проводится в 2 направлениях, поэтому его часто используют для сетей переменного тока.

Схема регулятора напряжения на симисторе для трансформатора

При подключении к трансформатору на один из электродов стабилизатора подается переменный ток, на управляющий электрод — отрицательное управляющее напряжение (с диодного моста). Когда порог включения повысится, симистор раскроется и пустится ток. В момент смены полярности на входе симистор закроется.

Важно! Вся последовательность действий повторяется неоднократно.

Разновидности регуляторов мощности

Для разных целей используются различные регуляторы мощности.

Тиристорный прибор управления

Конструкция устройства довольно простая. Обычно тиристоры применяются в маломощных приборах. Тиристорный терморегулятор состоит из биполярных транзисторов, самого тиристора, конденсатора и нескольких резисторов.

Тиристорный транзисторный регулятор

Транзисторы образуют импульсный сигнал, когда конденсаторное напряжение уравнивается с рабочим, они открываются. Электросигнал передается на вывод тиристора, после чего происходит разрядка конденсатора и запирание ключа. Вся последовательность действий повторяется циклически.

Обратите внимание! Величина задержки обратно пропорциональна мощности, которая поступает в нагрузку.

Симисторный преобразователь мощности

Симистор — подвид тиристора, в котором несколько больше переходов p-n, из-за чего его принцип работы несколько иной. Но часто симистор считают отдельным видом стабилизатора мощности. Конструкция представляет собой 2 тиристора, подключенных параллельно и имеющих общее управление.

К сведению! Отсюда и происходит название «симистор» — «симметричные тиристоры». Иногда он еще называется ТРИАК (TRIAC).

Схема 2 параллельно подключенных тиристоров (слева) и симистора (справа)

На схеме видно, что у симистора вместо анода и катода указаны обозначения Т1 и Т2. Все потому, что понятия «катод» и «анод» в данном случае не имеют смысла, так как электроток может выходить через оба вывода.

Симисторные универсальные регуляторы имеют ряд плюсов, в их числе небольшая цена, долгий срок службы и отсутствие подвижных контактов, которые могут быть источниками помех. Но есть и недостатки: подверженность помехам и шумам, отсутствие поддержки высоких частот переключения.

Важно! Их не применяют в мощных промышленных установках, вместо этого там используют тиристоры или IGBT транзисторы.

Фазовый способ трансформации

Фазовая трансформация происходит в так называемых диммерах. Используются такие приборы, к примеру, для изменения интенсивности освещения галогенных ламп или лампочек накаливания. Электросхема обычно воплощается на специальных микроконтроллерах, в которых используется своя интегрированная электросхема снижения напряжения. Благодаря своей конструкции диммеры могут плавно снижать мощность.

Светодиодный диммер

Из минусов таких устройств высокая чувствительность к помехам, высокий коэффициент пульсаций и маленький коэффициент мощности сигнала на выходе. Чтобы стабилизировать диммер, используются сдвоенные тиристоры.

Как сделать регулятор мощности своими руками

Для сборки стабилизатора напряжения на симисторе для трансформатора понадобятся следующие компоненты:

• сам симистор и электронные компоненты: динистор, потенциометр, диоды, конденсатор и сопротивления;
• радиатор;
• изолирующая теплопередающая прокладка;
• пластиковый корпус;
• печатная плата;
• мультиметр;
• паяльник.

Пошаговая инструкция, как собрать самодельный регулятор мощности:

1. Сперва необходимо определить некоторые характеристики устройства, для которого нужен регулятор: входное напряжение, силу тока, сколько фаз (3 или 1), а также, есть ли необходимость в точной настройке мощности на выходе.
2. Нужно определиться с типом прибора — цифровое или аналоговое. Можно смоделировать электрическую цепь посредством скачиваемых утилит, таких как CircuitMaker или Workbench, чтобы проверить, насколько выбранный тип будет подходить конкретной электросети. Также это можно сделать и онлайн.
3. После можно приступить к расчетам тепловыделения с использованием формулы: спад напряжения в регуляторе помножить на силу тока. Оба параметра должны быть указаны в спецификациях симистора. Ориентируясь на полученную с помощью формулы мощность, нужно выбрать радиатор.
4. Купить радиатор, электронные компоненты и печатную плату.
5. Осуществить разводку дорожек контактов и приготовить места, куда нужно устанавливать электронные компоненты, симистор и радиатор.
6. Закрепить при помощи паяльника все компоненты на печатной плате. В качестве альтернативы плате можно воспользоваться навесным монтажом с короткими проводами. Нужно внимательно следить за полярностью подключаемых компонентов: симистора и диодов.
7. Взять мультиметр и проверить сопротивление получившейся схемы. Полученное значение не должно отличаться от теоретического.
8. Скрепить симистор и радиатор, проложив между ними прокладку и заизолировав винт, которым они соединяются.
9. Полученную микросхему нужно поместить в корпус из пластика.
10. Поставить потенциометр на минимальное значение и попробовать включить. С помощью мультиметра замерить напряжение на выходе. Медленно поворачивать регулируемую ручку потенциометра, наблюдая за переменой напряжения.
11. Если схема будет работать так, как было задумано, то можно подсоединять нагрузку. В ином случае нужно отрегулировать мощность по-другому.

Схемы регуляторов мощности напряжения

Схема работы симистора

В некоторых бытовых приборах, к примеру, используются тиристорные стабилизаторы напряжения — в паяльниках, электронагревателях и т. д.

Схема тиристорного регулятора напряжения в паяльнике

Для регулирования напряжения применяют и индукционные приборы.

Схема индукционного стабилизатора

Регуляторы мощности используются практически во всех бытовых электроприборах, а также на производстве. При желании такое устройство можно собрать и самому. Главное — найти подходящую схему из множества существующих и строго следовать инструкции.

Трехфазный симисторный (тиристорный) регулятор мощности на микроконтроллере

Представляю Вашему вниманию трехфазный регулятор мощности на микроконтроллере.

Устройство регулирует мощность в активной нагрузке включенной треугольником, либо звездой , без использования нулевого проводника. Предназначено для использования с печами сопротивлений, водогрейными котлами, трехфазными ТЭНами и даже лампами накаливания, при соблюдении условия симметричной нагрузки в фазах. Два режима работы – регулирование с использованием алгоритма Брезенхема, и фазовый метод регулирования. Устройство задумывалось как максимально простое, и доступное в повторении. Управление от кнопок либо потенциометром, светодиодный индикатор режимов работы (не обязательно), светодиод , показывающий состояние устройства.

Внимание! Присутствуют опасное для жизни напряжение! Для опытных пользователей!

Схема устройства для удобства разделена на функциональные блоки. Это дает возможность вносить дальнейшие изменения и улучшения в конструкцию, без кардинальной переработки всей схемы. Ниже будет описан каждый блок в отдельности.

Силовая схема

Авторский вариант был построен на мощных оптотиристорных модулях МТОТО 80 — 12. Каждый модуль содержит два встречно — параллельных восьмидесятиамперных оптотиристора. Используется три модуля, по одному в каждую фазу. Управляющие импульсы приходят одновременно на оба силовых ключа, но откроется только тот, к которому приложено напряжение в прямой полярности. Модули заменимы на тиристорные или симисторные сборки, либо отдельные тиристоры и симисторы. Модульные сборки удобнее в монтаже, имеют изолированную подложку, и упрощают гальваническую развязку схемы управления. При использовании отдельных тиристоров или симисторов, потребуется ставить дополнительные импульсные трансформаторы, либо оптроны. Так же потребуется подобрать токоограничивающие резисторы оптронов (R32 –R34)под имеющиеся у вас экземпляры. Микроконтроллер формирует управляющие импульсы, которые усиливаются составными транзисторами Т7-Т9. Импульсы модулированы высокой частотой , для уменьшения тока через оптроны , так же это дает возможность использования малогабаритных импульсных трансформаторов (далее ТИ). Питание оптронов либо ТИ осуществляется нестабилизированным напряжением 15в.

Обязательны к установке RC цепи параллельно тиристорам. В моем варианте это резисторы ПЭВ-10 39 Ом и конденсаторы МБМ 0,1мкф 600в. Модули установлены на радиатор, при работе греются. Нагрузка трехфазный нихромовый нагреватель, максимальный ток 60А. За два года эксплуатации отказов не было.

На схеме не показан, но должен быть установлен, автоматический выключатель под рассчитанную нагрузку, так же желательно установить отдельный автоматический выключатель на фазы блока синхронизации. Устройство подключается к сети 3х380 вольт с соблюдением чередования фаз А-В-С, при неправильном чередовании устройство работать не будет. Нулевой провод нужен для подключения трансформатора блока питания, если его первичная обмотка выполнена на 220 вольт. При использовании трансформатора на 380 вольт, нулевой проводник не нужен.

Защитное заземление корпуса устройства выполнять обязательно!

Схема источника питания

В пояснении не нуждается, используется два напряжения – нестабилизированное 15 вольт и стабилизированное 5 вольт, потребление в авторском варианте составляло до 300мА, в большей степени зависит от светодиодного индикатора и используемых силовых элементов. Можно использовать любые доступные детали, особых требований нет.

Схема блока синхронизации

Содержит три одинаковых канала. Каждый канал подключен между двух фаз, т.е. каналы включены треугольником. В момент равенства фазных напряжений (точка пересечения синусоид ) формируется импульс, используемый для синхронизации в МК. Детали не критичны, но нужно придерживаться номиналов, для более точной синхронизации.Если есть двухлучевой осциллограф, желательно ,подбором резисторов R33 ,R40 ,R47, подогнать момент формирования импульса к точке пересечения синусоид. Но это не обязательное условие. Используемые оптроны АОТ 101 можно заменить любыми аналогичными, и доступными, единственное требование к ним — высокое пробивное напряжение, так как именно оптроны гальваническую развязку блока управления от сети. Можно найти более простую схему детектора нуля, и собирать ее, но с учетом подключения на межфазное 380 В. Очень желательно использовать предохранители , как показано в схеме, так же желательно использовать отдельный автоматический выключатель на этот блок.

Блок управления и индикации

Это основной блок. Микроконтроллер ATmega8 выдает импульсы управления на тиристоры, и обеспечивает индикацию режимов работы. Работает от внутреннего генератора, тактовая 8 МГц. Фьюзы приведены ниже на картинке. Семисегментный светодиодный индикатор с общим анодом, на три знака. Управляется через три анодных ключа Т1-Т3 , сегменты переключаются сдвиговым регистром. Можно не устанавливать индикатор, регистр и связанные с ними элементы, если не требуется настройки работы. Можно установить любой доступный тип индикаторов, но потребуется подбор токоограничивающих резисторов в цепи сегментов. Светодиод HL1 показывает основные состояния устройства.

Пуск и остановка осуществляется переключателем SB1. Замкнутое состояние – Пуск, разомкнутое -Стоп. Регулировка мощности либо от кнопок Up ,Down, либо от задатчика R6, выбор осуществляется через меню. Дроссель L любой малогабаритный, нужен для лучшей фильтрации опорного напряжения АЦП микроконтроллера. Емкости С5 , С6 требуется установить, как можно ближе к выводам питания МК и регистра, в моем варианте они были напаяны на ножки поверх микросхем. В условиях больших токов и сильных помех они необходимы для надежной работы устройства.

Работа регулятора мощности

В зависимости от выбранной прошивки будет осуществляется регулирование либо фазоимпульсным методом, либо методом пропуска периодов так называемый алгоритм Брезенхема.

При фазоимпульсном регулировании напряжение на нагрузке плавно изменяется практически от нуля, до максимума, путем изменения угла открытия тиристоров. Импульс выдается два раза за период, одновременно на оба тиристора, но открыт будет только тот , к которому приложено напряжение в прямой полярности.

На малых напряжениях ( большой угол открытия) возможно перерегулирование , связанное с неточностью попадания импульса синхронизации в момент пересечения синусоид. Для исключения этого эффекта по умолчанию нижняя граница задана значением 10. Через меню , при необходимости можно изменить ее в диапазоне от 0 до 99. На практике этого ни разу не требовалось, но тут все зависит от конкретной задачи. Данный метод подходит для регулировки светового потока ламп накаливания, при условии их одинаковой мощности в каждой фазе.

Так же важно, чтобы чередование фаз сети было правильным А-В-С. Для проверки можно при включении устройства провести тест на правильное чередование фаз. Для этого необходимо при включении устройства , когда на индикаторе отображаются символы — 0 — держать нажатой кнопку menu , если фазировка правильная индикатор отобразит символы AbC ,если нет ACb, и требуется перебросить местами две любые фазы.

Если отпустить кнопку menu устройство перейдет в основной режим работы.

При использовании регулирования методом пропуска периодов, не требуется фазировка и тест в прошивку не введен. В этом случае тиристоры открываются одновременно , можно представить их как простой пускатель коммутирующий все три фазы сразу. Чем больше нужна мощность на нагрузке , тем большее количество раз в единицу времени , тиристоры будут в проводящем состоянии. Данный метод не подходит для ламп накаливания.

В настройке устройство не нуждается.

При включении происходит считывание настроек из энергонезависимой памяти МК, если в памяти нет значений, либо они некорректны, устанавливаются значения по умолчанию. Далее МК проверяет наличие импульсов синхронизации и состояние переключателя SB1. Если SB1 в разомкнутом состоянии импульсы управления не выдаются , на индикатор выводится сообщение OFF , светодиод HL1 мигает с высокой частотой. Если замкнуть SB1 на индикаторе высветится текущее задание мощности, будут формироваться импульсы управления , светодиод HL1 светится постоянно. Если при пуске либо во время работы пропадут управляющие импульсы более чем на 10 секунд, индикатор отобразит цифры 380 , светодиод будет моргать с низкой частотой, импульсы управления тиристорами снимутся. При появлении импульсов синхронизации , устройство вернется к работе. Так было сделано в связи с плохой сетью в месте эксплуатации устройства, частыми перебоями и перекосами фаз.

Меню содержит четыре подменю, переключаемых кнопкой menu , если кнопка не нажата некоторое время, отображается текущий установленный уровень мощности условно от 0 до 100. Уровень мощности изменяется кнопками Up или Down, либо , если разрешено(по умолчанию) ,потенциометром.

Длительное нажатие кнопки menu переключает подменю.

Подменю 1 на индикаторе отображается Грˉ это верхняя граница регулирования мощности, при нажатии кнопок Up или Down, будет показано текущее значение , его возможно изменять в большую или меньшую сторону, в пределах границ. По умолчанию значение 99.

Подменю 2 на индикаторе Гр_ это нижняя граница регулирования мощности, все аналогично , значение по умолчанию 10.

Подменю 3 показывает используется ли задание от потенциометра 1 – да 0- нет. На индикаторе 3-1 либо 3-0, выбор нажатием кнопок Up или Down. По умолчанию – используется(1).

Подменю 4 на индикаторе ЗАП , при нажатии любой из кнопок Up или Down, произойдет запись текущих значений в энергонезависимую память МК. При записи произойдет однократное мигание надписи ЗАП. Будут записаны границы регулирования, разрешен ли потенциометр и текущее значение мощности, если оно устанавливается кнопками, а потенциометр не используется.

Следующее нажатие menu , переключит в основное меню, будет отображено значение мощности. Так же длительное не нажатие кнопок переключит меню на основное.

Можно не использовать семисегментный светодиодный индикатор ,если не требуется ничего изменять, в этом случае все будет работать, регулироваться от 10 до 99 при помощи потенциометра. Состояние устройства покажет светодиод HL1 . Собственно индикатор был нужен на этапе отладки и для последующей модернизации. В планах построить на этой базе регулятор для индуктивной нагрузки , и сделать устройство плавного пуска асинхронного двигателя.

Печатная плата разрабатывалась для блока синхронизации и для блока управления, но в итоге из за переработок блок управления был сделан навесным способом, на макетной плате, Печатная плата»как есть» в архиве, разводка семисегментного индикатора выполнена под имеющийся у меня индикатор, при необходимости можно программно сменить соответствующие сегментам вывода. Часть деталей ( RC цепи , резисторы и диоды силовой схемы, элементы блока питания, кнопки, потенциометр и светодиоды) монтировались так же навесным способом.

В архиве представлена плата блока управления и блока синхронизации, в формате sprint layout, и схемы в формате Splan 7, там же два варианта прошивки под фазоимпульсное управление и управление пропуском периодов. МК шился программатором «пять проводков» под управлением программы Uniprof , скачать ее можно на сайте автора http://avr.nikolaew.org/

фьюзы представлены ниже.

Фьюзы даны для установки в этой программе , при использовании другой — Помните, что включенный FUSE — это FUSE без галочки!

Печатные платы не оптимальны , и скорее всего , при повторении придется доработать их под имеющиеся в наличии детали, и конкретную конфигурацию и расположение элементов ( кнопок , потенциометра, индикатора, диодов и оптронов). Так же обратите внимание на контактные площадки, если сверлить отверстия диаметром 0,5-0,7 мм затруднительно, то перед печатью нужно увеличить размер контактных площадок. Главное требование для блока синхронизации — учитывайте , что напряжение высокое и может быть пробой по поверхности текстолита, и по поверхности деталей,поэтому желательно использовать выводные детали с большим расстоянием между выводами. По этой же причине мосты набраны из отдельных диодов. Не нужно экономить место и текстолит ! напряжение в отдельных точках платы синхронизации может достигать 600 вольт ! Плату после изготовления нужно покрывать электроизоляционным лаком, желательно в два — три слоя, чтобы исключить пробой по пыли.

Видео представлено при работе в режиме фазоимпульсного регулирования, на осциллографе сигнал с трансформаторов тока ,включенных в две фазы, нагрузка три лампы накаливания по 1 КВт. На видео макет устройства используемый для отладки.

Литература

• В.М. Яров . «Источники питания электрических печей сопротивления» учебное пособие 1982г.
• А.В.Евстифеев «Микроконтроллеры AVR семейства Mega, руководство пользовтеля » 2007г.

Симисторные и тиристорные стабилизаторы: что выбрать?

Тиристорные и симисторные стабилизаторы напряжения сегодня считаются наиболее совершенными устройствами среди аналогов, использующих автотрансформатор для коррекции сетевого напряжения.

Для лучшего понимания особенностей работы стабилизаторов этого типа в данной статье подробно рассмотрены их устройство, принцип действия, основные преимущества и недостатки.

Содержание

Устройство и принцип действия тиристорных и симисторных стабилизаторов

Основными узлами этих стабилизаторов напряжения являются:

• силовой автотрансформатор – используется для коррекции сетевого напряжения;
• электронная схема управления (как правило, реализованная на базе микропроцессора) – управляет всеми функциями стабилизатора в соответствии с сигналами датчиков параметров сети и мощности потребления нагрузки;
• блок коммутирующих силовых полупроводниковых ключей (тиристоров или симисторов) – используются для коммутирования отводов обмоток силового автотрансформатора;
• устройства фильтрации сетевых помех – подавляют импульсные и высокочастотные помехи.

На корпусе электронных стабилизаторов, как правило, располагаются ЖК-дисплей и светодиодные индикаторы, которые отображают значения рабочих параметров устройства: величины напряжения на входе и выход, мощность подключенной нагрузки.

Принцип действия тиристорных и симисторных стабилизаторов одинаков. Входное переменное сетевое напряжение поступает на преобразующий автотрансформатор – разновидность трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого соединены, то есть имеют не только электромагнитную связь, но также и электрически связаны. Вторичное напряжение снимается с одного из нескольких выводов обмотки автотрансформатора. Подключение к каждому выводу задействует разное количество витков катушки трансформатора, чем и будет определяться коэффициент трансформации и, соответственно, выходное напряжение. Наиболее похожим по принципу работы можно назвать релейный тип стабилизаторов.

Параметры входного и выходного напряжения автотрансформатора постоянно контролируются микропроцессором платы управления. Если они отклоняются от нормы в любую сторону, микропроцессор подает управляющий сигнал на включение определенного силового коммутационного устройства – полупроводникового ключа. В зависимости от типа используемых силовых ключей различают тиристорные (с применением тиристоров) и симисторные (соответственно, с применением симисторов) устройства.

Тиристоры и симисторы. В чём разница?

Тиристоры и симисторы – полупроводниковые элементы, управление которыми (изменение их коммутационного состояния) осуществляется подачей положительного потенциала на управляющий электрод. Их отличие заключается в количестве слоев с различной проводимостью в пластине элемента.

Тиристор является преобразователем переменного тока однонаправленного действия. В своей структуре элемент имеет управляющий электрод, анод и катод.

Симистор представляет собой два встречно включенных тиристора, которые располагаются параллельно друг другу. У симистора каждый электрод является анодом и катодом одновременно, благодаря чему этот полупроводниковый переключатель способен проводить ток в двух направлениях.

Далее рассмотрим особенности и отличия устройств с коммутацией, реализованной на тиристорных и симисторных ключах.

Схема работы, сильные и слабые стороны тиристорных стабилизаторов

Рассмотрим подробнее алгоритм работы тиристорного стабилизатора:

1. При изменении параметров входного тока фаза задержки (длительностью до 20 мс) используется для измерения значения входного напряжения сети.
2. Сравнив фактические и допустимые токовые характеристики, при необходимости процессор платы управления подает команду на коррекцию напряжения на выходе:
   • в случаях, когда отклонения входного напряжения находятся в рамках допустимого диапазона, происходит его коррекция до необходимого значения;
   • при скачках напряжения, выходящих за рамки допустимого диапазона, система защиты обеспечивает аварийное отключение устройства.

Тиристорные стабилизаторы напряжения обладают следующими преимуществами:

• относительно высокое быстродействие – 20 мс (в сравнении с релейными приборами);
• высокий КПД, который достигается благодаря отсутствию реле и подвижных элементов;
• возможность функционирования во внешней среде с высокими или низкими температурами;
• долговечность и надежность за счёт отсутствия механических деталей;
• бесшумное функционирование;
• устойчивость к перегрузкам.

Тиристорные приборы также отличаются достаточно высокой точностью стабилизации напряжения на выходе (от 5 до 10 %) по сравнению с релейными моделями, а также относительно широким диапазоном напряжения на входе, который позволяет их использовать в сетях с крайне некачественным напряжением.

Серьезным недостатком тиристорных стабилизаторов является дискретность (ступенчатость) коррекции напряжения. Ступенчатые скачки напряжения, которые появляются при переключении трансформаторных обмоток, ухудшают точность стабилизации и снижают скорость работы прибора.

Из-за указанных недостатков тиристорные стабилизаторы нельзя использовать для питания нагрузок, особо чувствительных к перепадам напряжения (например, ПК и периферийных устройств, профессиональных аудио- и видеоприборов, а также приборов с электронным управлением).

Кроме того, выходное напряжение тиристорных стабилизаторов имеет форму, отличную от синусоидальной (трапециевидную или с другими искажениями, в зависимости от конкретной модели), что делает нежелательным их использование для питания нагрузок с электродвигателями (например, насосов, систем отопления).

Схема работы, преимущества и недостатки симисторных стабилизаторов

Симисторные стабилизаторы напряжения имеют принцип работы, схожий с тиристорными устройствами.

К их очевидным преимуществам, безусловно, можно отнести перечисленные выше достоинства, которыми отличаются тиристорные устройства:

• скорость и точность регулирования напряжения;
• высокое значение КПД;
• бесшумная работа (что особенно важно при установке в жилых помещениях);
• многолетний срок эксплуатации;
• надежность работы, обусловленная полным отсутствием механических движущихся частей.

Современные симисторные стабилизаторы напряжения, как и тиристорные аналоги, отличаются широким диапазоном входного напряжения и возможностью работы при достаточно низкой температуре.

Существенными их недостатками являются высокая стоимость в сравнении с релейными моделями и ступенчатое регулирование выходного напряжения. К минусам также следует отнести большую громоздкость силовых ключей по сравнению с тиристорными аналогами: один симистор занимает площадь, достаточную для размещения нескольких тиристоров. Разумеется, это не в лучшую сторону отражается на габаритных размерах и массе устройств.

Сравнивая используемые типы полупроводниковых ключей, добавим, что симисторы менее стойки к токовым перегрузкам и в процессе работы могут нагреваться значительно сильнее, что увеличивает риск их выхода из строя.

Симисторные стабилизаторы имеют такие же ограничения по применению, что и тиристорные. Их нельзя назвать удачным решением для организации защиты электродвигателей или нагрузки с электроприводом из-за искажения формы сигнала на выходе: как правило, это модифицированная синусоида. Говоря об ограничениях в использовании, стоит добавить и их низкую стойкость при работе с индуктивной нагрузкой.

Подводим итог

Сравнивая симисторные и тиристорные стабилизаторы напряжения между собой и с другими видами устройств, можно прийти к следующим выводам:

• оба типа приборов имеют как схожие возможности по стабилизации напряжения, так и почти одинаковые недостатки, одним из которых является ступенчатая корректировка и, как следствие, несинусоидальная форма выходного сигнала;
• данные стабилизаторы не справляются с защитой чувствительного к качеству сети оборудования, а также приборов с электродвигателями;
• оба устройства по своим рабочим параметрам ненамного превосходят релейные стабилизаторы напряжения, но стоимость их гораздо выше;
• при поломке тиристорных и симисторных устройств ремонт их электронных компонентов обойдется дороже, чем стабилизаторов напряжения предыдущих поколений, работающих по аналогичному принципу.

Несмотря на то, что симисторные и тиристорные стабилизаторы пока пользуются достаточной популярностью, их постепенно но уверенно вытесняет с рынка новый тип устройств – инверторные стабилизаторы напряжения. Разработанные на заводе ГК «Штиль» в 2015 году, эти приборы получили самые высокие технические характеристики, среди которых:

Тиристорные и симисторные регуляторы напряжения для индуктивной нагрузки

Большинство современных бытовых приборов, изготавливаемых с использованием индуктивных элементов, легко поддаются регулировке по потребляемой мощности. Правда, это справедливо только для тех случаев, когда в них уже предусмотрена такая возможность. Однако даже в ее отсутствие можно доработать прибор своими руками, встроив в него симисторный регулятор напряжения в индуктивной нагрузке.

Преимущества и недостатки

На рынке встречаются регуляторы напряжения, построенные на основе современных симисторов BT136 600E, которые по своим рабочим характеристикам заметно превосходят тиристорные аналоги. Применение двунаправленных управляющих полупроводников позволяет добиться следующих преимуществ:

• снижение нелинейных искажений;
• улучшение регулировочных характеристик всей схемы;
• небольшая экономия на потреблении электроэнергии.

Основное преимущество любых электронных регуляторов – отсутствие механических контактов, быстро выходящих из строя и создающих много шума.

• повышенную чувствительность к переходным процессам в управляющих цепях;
• необходимость установки радиатора для отвода тепла;
• ограниченность частотного диапазона.

Несмотря на все указанные минусы, стабилизаторы на симисторах успешно применяются для регулировки мощности в индуктивной нагрузке.

Принцип работы и цели применения

Принцип работы симисторного регулятора основан на особенностях полупроводниковых приборов, которые ограничивают амплитуду переменного тока с одновременным снижением мощности в нагрузке. При заданной частоте сетевого напряжения регулировать этот показатель удается в небольших пределах (не более 20-30%).

Качество и глубина регулировки зависят от схемы управления работой симисторных элементов, которая предполагает различные исполнения.

В простейших случаях она состоит из нескольких дискретных элементов: диодов, развязывающего трансформатора, резисторов и конденсаторов. В более сложных устройствах функцию регулирующего модуля выполняет микросхема или микропроцессор. В соответствии со способом управления симисторами возможны различные методы изменения величины мощности, отдаваемой в нагрузку. Наиболее распространенный способ, позволяющий эффективно, с минимальными потерями, делать это – воздействие на фазу преобразуемого напряжения. В соответствии с изменяемым параметром этот метод называется импульсно-фазным, а работающий на его основе прибор представляет собой фазовый регулятор мощности.

Симисторные схемы применяются во многих устройствах, при работе с которыми приходится иметь дело с индуктивной нагрузкой — обмотками электродвигателя, в частности. К этой же категории промышленных и бытовых приборов относят:

• стиральные машины, фены, а также компрессорные установки;
• кипятильники, пылесосы и ряд моделей осветительных приборов;
• насосы и асинхронные электродвигатели заводских станков;
• котельное оборудование и даже обычные паяльники.

Характер применения оборудования, управляемого посредством фазовых регуляторов мощности на симисторах, практически одинаков. Различаются только эксплуатационные показатели самих полупроводниковых устройств: величина тока, мощность в нагрузке, эффективность управления, экономичность и другие.

Самостоятельное изготовление

Изготовить регулятор напряжения на симисторах своими руками сможет любой желающий, освоивший принцип его работы. Для этого сначала необходимо выбрать вариант фирменного устройства, подходящего для ручного копирования. Одно из условий правильного выбора: чтобы понравившаяся схема оказалась достаточно простой для повторения.

Варианты схем

Среди популярных моделей промышленных устройств, которые могут быть взяты за образец, особо выделяются:

• Изделия, построенные на основе приборов марки BT136 600E, схема включения регулировки напряжения которого приводится в Интернете.
• Устройства на симисторах BTA16-600, имеющие более сложную организацию коммутации.

Особенностью первого схемного решения является применение всего одного симистора. Посредством такого регулятора, повторенного в виде самоделки, удается управлять режимами работы бытового паяльника мощностью до 0,09 кВт. Помимо этого, при наличии устройства можно регулировать яркость свечения настольной лампы или скорость вращения электрического вентилятора.

Среди схемных решений, используемых для самостоятельного изготовления регулятора, выделяется изделие на основе сравнительно мощных полупроводниковых приборов BTA16-600. Его характерной особенностью является наличие неоновой лампочки, включенной в выходную цепь. Яркость ее свечения указывает на величину мощности, отдаваемой в нагрузку в данный момент, что очень удобно для работы со многими потребителями.

Пользователю, не имеющему опыта работы с микросхемами, придется воспользоваться комбинированным вариантом. Блок управления берется от более простого изделия на основе BT136-600E, а на выходе используется управляющая схема с неоновой лампой. В ситуации, когда регулятор предназначается для управления осветителем с собственным внутренним пусковым элементом (стартером) – неонку допускается не ставить.

Возможен еще один вариант фирменного устройства для повторения, в котором используются элементы управления MAC 97A6. Эта схема включения подходит для ламп 220Вольт.

Самостоятельная сборка

В состав типовой схемы регулятора на симисторах входят следующие обязательные узлы и элементы:

• выпрямительные диоды (или мостик);
• регулировочный резистор, ручка которого выводится на переднюю панель самодельного устройства;
• ограничивающий динистор любого типа;
• симистор BTA16-000;
• индикаторный светодиод вместо неонки;
• предохранитель.

После того как все эти детали спаяны в схему, потребуется проверить порядок работы каждого из отдельных модулей. Для этого необходимо пройтись по всей цепочке от входа до нагрузки.

Выпрямленное диодами переменное напряжение 220 Вольт через регулировочный резистор поступает сначала на ограничивающий элемент, а затем – на управляющий электрод BTA16-000. В зависимости от положения ручки потенциометра симистор будет открываться больше или меньше, изменяя величину мощности, отдаваемую в нагрузку. По этому описанию собранная схема проверяется на корректность ее сборки и работы.

Посредством такого несложного регулятора удается плавно изменять выходную мощность паяльника или настольной лампы, например.

Настройка регулятора

После завершения паяльных работ и всех необходимых подключений можно переходить в проверке самодельного изделия на работоспособность. При обнаружении отклонений от нормальных режимов, заданных описанием схемного решения, потребуется настройка прибора. Она заключается в проверке каждого из элементов по току и напряжению. Для этого удобнее всего запастись специальным прибором – мультметром, а еще лучше – электронным осциллографом.

Перед проведением настройки важно помнить о том, что симистор в этой схеме выполняет функцию фазового регулятора. Его основное назначение – переключение цепи в момент перехода полуволной напряжения нулевой точки с учетом величины эксплуатируемой в данное время нагрузки.

В исходном состоянии симистор закрыт, поскольку напряжение на его управляющем электроде не достигло нужной величины. По мере заряда конденсатор через цепочку, открывшуюся за счет поступления полуволны напряжения, потенциал на нем и на подключенном параллельно динисторе постепенно возрастает.

Указанные процессы хорошо видны на экране осциллографа, при наличии которого настройка прибора заметно упростится.

По достижении напряжением в этой точке величины примерно 30 Вольт, динистор и симистор одновременно открываются на время равное полупериоду волны. За счет периодически повторяющейся с частотой 50 Герц коммутации управляющей цепочки удается изменять величину мощности в нагрузке в заданных пределах.

При наличии опыта работы с паяльником и электронными приборами собрать и настроить управляющее устройство удается без особого труда. Главное – внимательность и строгое следование приведенным инструкциям.