Базовая схема регулирования напряжения на нагрузке

June 26, 2010 by admin Комментировать »

Для этой цели нам придется применить один электронный прибор, который мы до сих пор не рассматривали: тиристор, представляющий собой управ­ляемый диод и соединяющий в себе свойства диода и транзистора. По схеме включения тиристор несколько напоминает транзистор в ключевом режи­ме — у него тоже три вывода, которые работают аналогично соответствую­щим выводам транзистора (рис. 10.1, а). В обычном состоянии тиристор за­перт и представляет собой бесконечное сопротивление, а для открывания достаточно подать напряжение на управляющий электрод — аналог базы у транзистора. Разница между тиристором и транзистором заключается в том, что для удержания транзистора в открытом состоянии через базу нужно все время гнать управляющий ток, а тиристору для открывания достаточно ко­роткого импульса.

Величина тока через управляющий электрод составляет несколько единиц или десятков миллиампер— в зависимости от мощности тиристора, для очень мощных приборов может составлять единицы ампер (причем в ряде случаев ограничительный резистор можно не ставить— на схеме рис. 10.1, а он показан пунктиром). При этом напряжение должно достигать определен­ной величины: амплитуда управляющих импульсов для тиристоров средней мощности (рассчитанных на токи порядка 3—10 А) должна составлять при­мерно 5—10 В, а длительность его может не превышать 0,05 мс.

В отсутствии открывающего импульса тиристор все равно можно открыть, если подать на анод достаточно высокое напряжение — ток через управляю­щий электрод всего лишь снижает это открывающее анодное напряжение практически до нуля (но при этом управляющий импульс также должен иметь напряжение не ниже некоторого порога). Существует отдельный класс приборов под названием динисторы, которые представляют собой тиристоры без управляющего электрода — они открываются при превышении анодным напряжением определенной величины, которая обычно составляет нескрлько десятков вольт. Кроме того, тиристоры могут открываться самопроизвольно, если анодное напряжение нарастает слишком быстро (со скоростью порядка 10 В/мкс и более). Во избежание этого в схемах на тиристорах следует шун­тировать промежуток катод-управляющий электрод резистором (на схеме рис. 10.1, а не показан). В настоящее время выпускаются специальные тири­сторы и симисторы (о них рассказано далее), лишенные этого недостатка и предназначенные для работы в импульсных цепях.

clip_image002

Рис. 10.1. Схемы включения тиристоров и симисторов: а — основная схема включения тиристора (1 — управляющий электрод; 2 — анод; 3 — катод); б — включение симистора

Как и все диоды, тиристоры выдерживают большие перегрузки по току при условии, что они кратковременны. Во включенном состоянии тиристор ведет себя, как обычный диод, а закроется только тогда, когда ток через него (именно через него, в цепи анод-катод, а не по управляющему переходу) сни­зится до нуля. Если использовать его в цепи переменного тока, то это Про­изойдет почти сразу, в конце ближайшего полупериода, при переходе напря­жения через ноль. А вот в цепи постоянного тока тиристор сам не отключится, пока через него идет ток. В принципе тиристор можно закрыть и подачей на управляющий электрод импульса противоположной полярности, но практически этим никто не пользуется (и возможность эта для обычных тиристоров относится к числу недокументированных), потому что и напря­жение, и ток такого импульса должны быть сравнимы с напряжением и то­ком в силовой цепи анод-катод.

Одиночный тиристор может обеспечить регулирование только положитель­ного напряжения. В сети переменного тока в открытом состоянии он будет работать, как диод, отрезая отрицательную полуволну. Чтобы регулировать переменное напряжение в течение обоих полупериодов, нужен еще один ти­ристор, включенный наоборот. Так как тиристоры во всем, кроме управле­ния, ведут себя подобно диодам, их можно включать встречно-параллельно. Для обычных диодов такое включение применяется только в схемах, подоб­ных показанной на рис. 7.5 — они будут всегда открыты, так что, если не об­ращать внимания на падение напряжения в 0,6 В, при включении последова­тельно с нагрузкой такая схема просто ничего не делает. Иное дело тиристоры — если на управляющие электроды ничего не подавать, то на­грузка будет отключена, если же подавать управляющие импульсы в нужной фазе и полярности относительно питающего напряжения, то они будут от­крываться и подключать нагрузку.

Симметричные тиристоры или симисторы (рис. 10.1, б), естественно, выпус­каются и отдельно. На западный манер симистор называется триаком. В си-мисторе один управляющий электрод, причем в общем случае знак управ­ляющего напряжения должен совпадать с полярностью на аноде. Популярные в нашей стране симисторы КУ208 при положительном напряже­нии на аноде могут включаться импульсами любой полярности, подаваемы­ми на управляющий электрод относительно катода, а при отрицательном — импульсами только отрицательной полярности.

clip_image004

Рис. 10.2. Графики напряжения в схеме фазового управления с помощью тиристоров или симистора

На осциллограммах (рис. 10.2) перед нами пример управления мощностью в нагрузке с помощью пары встречно-параллельно включенных тиристоров или симистора. В начале каждого полупериода тиристор закрыт, управляю­щий импульс подается только через промежуток времени, равный трети длительности этого полупериода (то есть со сдвигом фаз, равным я/3 относи­тельно напряжения питания), и тогда тиристор открывается. Закрывается он, как уже говорилось, автоматически в момент перехода питающего напряже­ния через ноль.

В результате напряжение на нагрузке будет иметь необычный вид, показан­ный на графике рис. 10.2 внизу. Каково будет действующее значение напря­жения? Ясно, что оно будет меньше, чем в отсутствие тиристора — или чем в случае, если бы управляющий импульс подавался в самом начале периода. Если же, наоборот, подавать управляющий импульс в самом конце^ то дейст­вующее значение будет близко к нулю. Таким образом, сдвигая фазу управ­ляющих импульсов, мы можем плавно менять мощность в нагрузке с доста­точно высоким КПД.

Мощность в нагрузке при тиристорном управлении

А можно ли вычислить, чему будет равно действующее значение во всех этих случаях? Обычно такие расчеты не требуются, но в некоторых случаях, как мы увидим далее, полезно эту величину знать, так как стандартным цифро­вым мультиметром измерить ее невозможно— по причинам, указанным в главе 4, он покажет для напряжения такой формы все, что угодно, только не истинную величину. Для того чтобы рассчитать величину действующего зна­чения для разных величин сдвига фазы, нужно взять интеграл от квадрата мгновенного значения напряжения в течение всего полупериода. Полученная в результате формула будет выглядеть так:

clip_image006

где:

?clip_image008— действующее значение напряжения на нагрузке;

?clip_image010_ — амплитудное значение питающего напряжения;

?clip_image012— определяется по формуле / = я – ф, если сдвиг фазы ф выражать в радианах или по формуле / = я(180 – ф)/180, если сдвиг фазы ф выражать в градусах.

При сдвиге фазы больше, чем половина периода (то есть ф > я/2), полезно знать также максимальное значение напряжения на нагрузке f/max, потому что от этого иногда зависит выбор элементов (при сдвиге фазы меньше половины периода максимальное значение попросту равно амплитудному значению питающего напряжения). Его можно рассчитать по простой формуле:clip_image014

clip_image016

В табл. 10.1 приведены результаты расчета по этим формулам для синусои­дального напряжения 220 В. В последней колонке таблицы приведены вели­чины мощности, которая будет выделяться в нагрузке, в процентах от макси­мальной мощности, которая выделялась бы при прямом включении нагрузки в сеть или, что то же самое, при сдвиге фазы управляющего импульса, равной нулю.

Таблица 10.1. Действующие и амплитудные напряжения при тиристорном управлении

Ф, град

Ф, рад

   

Р,%

0

0.00

219.9

311.0

100.0

10

0.17

219.8

311.0

99.8

20

0.35

218.9

311.0

99.0

30

0.52

216.7

311.0

97.0

40

0.70

212.6

311.0

93.4

50

0.87

206.2

311.0

87.8

60

1.05

197.2

311.0

80.4

70

1.22

185.7

311.0

71.3

80

1.40

171.8

311.0

60.9

90

1.57

155.5

311.0

50.0

100

1.75

137.3

306.3

39.0

110

1.92

117.7

292.2

28.6

120

2.09

97.2

269.3

19.5

130

2.27

76.5

238.2

12.1

140

2.44

56.3

199.9

6.5

150

2.62

37.3

155.5

2.9

Таблица 10.1 (окончание)

Ф, град

Ф, рад

Удейств

 

Р,%

160

2.79

20.6

106.4

0.9

170

2.97

7.4

54.0

0.1

180

3.14

0.0

0.0

0.0

Анализ данных в таблице приводит нас к довольно интересным выводам. Зави­симость действующего значения напряжения и мощности в нагрузке практиче­ски не меняется по сравнению с максимальной вплоть до сдвига фаз, равного 30"^ (в радианах я/6 или примерно 0,5) — помните из школьной тригонометрии правило: «синусы малых углов примерно равны самому углу»? Это оно и дей­ствует. Дальше значения мощности очень быстро падают вплоть до 150—160 градусов, когда мощность становится уже исчезающе малой— но обратите внимание на величину амплитудного значения! При сдвиге фаз в 160 градусов, когда мощности практически никакой уже нет, амплитудное значение все еще равно аж целых 106 В — такое напряжение вполне способно вывести из строя, скажем, маломощные диоды, у которых допустимое обратное напряжение час­то не превышает нескольких десятков вольт.

Самый важный вывод, который следует из анализа данных в таблице — изме­нение мощности в нагрузке в зависимости от угла сдвига фазы происходит не­линейно. По этой причине при проектировании устройств регулирования не имеет смысла начинать регулировку с малых углов сдвига фаз — реально ни­чего меняться не будет, и значительная часть хода регулировочного элемента будет холостой, практические изменения начнутся с углов в 30° и более.

Закончив на этом со скучной теорией, перейдем к практическим схемам.

Оставить комментарий

Устройство витков выходе генератора импульсов микросхемы мощности нагрузки напряжение напряжения питания приемника пример провода работы радоэлектроника сигнал сигнала сигналов сопротивление схема теория транзистора транзисторов управления усиления усилитель усилителя устройства частоты