Из этой статьи мы знаем, что тиристоры открываются импульсом тока, а для их закрытия нужно прекратить ток или приложить между анодом и катодом обратное напряжение. Кроме этого, нам известно, что тиристоры проводят ток в одном направлении, от анода к катоду, а управляющий сигнал должен быть положительным, относительно катода. То есть его полярность должна совпадать с полярностью приложенного к аноду напряжения. А также потенциал анода в момент открытия должен превышать потенциал катода. Симисторы работают точно так же, а состоят из двух тиристоров, соединённых встречно-параллельно (чуть позже мы разберём примеры).
В этой статье мы подробнее рассмотрим вопросы, связанные со способами и схемами управления тиристорами и симисторами.
Немного теории
Управлять тиристором не так просто как, например, mosfet’ами или IGBT-транзисторами, так как нужно учитывать ряд параметров и выполнять некоторые условия.
Начнём с понятия ток отпирания (он же ток управления, в англоязычных даташитах обозначается, как IGT) — это ток такой силы, который необходимо подать на управляющий электрод (УЭ), чтобы тиристор открылся в нормальном ключевом режиме. Обычно он находится в диапазоне от 0.1 до 1А. На мощных тиристорах, рассчитанных на тысячи ампер, он может быть и больше, но такое встречается редко.
Но даже если подать нужный ток на управляющий электрод тиристор не откроется, потому что по силовой цепи (анод-катод), должен протекать какой-то ток. Этот ток называется током удержания (Iуд в отечественных справочниках или IH в англоязычных даташитах). Это минимальный ток, который должен протекать через тиристор в момент открытия, а также для удержания в открытом состоянии в процессе работы. Обычно он находится в диапазоне от десятков миллиампер до сотен миллиампер (0.05…0.5А).
Ток удержания нужно учитывать не только при отпирании транзистора, но и при его запирании. Если ток в силовой цепи слишком маленький, то если тиристор был включён, а нагрузка по какой-то причине исчезла, то он закроется не полностью и перейдёт в активный режим. На ключе увеличится падение напряжения и выделяемая мощность, если в таком состоянии внезапно появится нагрузка, то он выйдет из строя. Поэтому в схемах с мощными тиристорами используются дополнительные решения для их защиты — отслеживания и контролирования этого тока.
Следующее важное условие сформировать нужную скорость роста тока управления — это обозначается, как dIG/dt, может отличаться для каждого конкретного тиристора, но в среднем оно должно быть больше, чем 2А/мкс.
Пример «правильной» формы управляющего импульса для мощного тиристора изображён на рисунке ниже. Обычно он формируется специальными драйверами, кому интересно, может поискать в интернете что-то вроде «ФИУТ-1 от НИЦ СПП ОАО "ЭЛЕКТРОВЫПРЯМИТЕЛЬ"».
На рисунке: IGon — уровень тока подпитки; IGon = (3-5)×IGt, где IGt — отпирающий ток управления (параметр выбирается для минимальной рабочей температуры, при которой будет использоваться тиристор); IGm — амплитуда форсирующего импульса, равна (10-12)×IGt; diG/dt — скорость нарастания тока управления; больше 2 А/мкс, ограничений сверху нет. tpf — длительность форсирующего импульса управления; равна (2-3)×tgd (примерно 5 — 25 мкс), где tgd— время задержки. Для низких рабочих температур рекомендуется выбирать большую длительность импульса управления. tpon — длительность импульса тока подпитки; равна (3-5)×tGt, примерно 50мкс и более, где tGt — время включения, зависит от схемы включения прибора. Точно подбирается опытным путём, в зависимости от нагрузки и особенностей схемы. Этот ток нужен, чтобы «подстраховать» тиристор от закрывания, если возможно снижение тока нагрузки после включения ниже, чем ток удержания и его нарастанием после этого.
Для чего это нужно? Допустим, у нас есть какой-то мощный тиристор, если подать на его управляющий электрод ток, который нарастает медленно или вовсе представляет собой стабильную ровную линию, то тиристор будет открываться медленнее, чем нужно. При этом начнёт протекать ток нагрузки, и, так как структура тиристора ещё не открылась полностью, область около УЭ начнёт греться, что может привести к её прожигу и прибор выйдет из строя.
Кроме того, нужно контролировать и ток нагрузки (анодный ток) при открытии тиристора. Но здесь, наоборот, нужно ограничивать скорость его роста. Это называется «эффект dI/dt» или «допустимая скорость нарастания тока через открытый тиристор». Если ток нагрузки при открытии будет расти слишком быстро, то это приведёт к тем же последствиям. Чтобы ограничить скорость dI/dt в цепь анода включают индуктивность или используют индуктивность трансформатора питания.
Обозначение dI/dt похоже на предыдущее и можно запутаться. Обратите внимание, в предыдущем случае мы писали dIG/dt, где IG – ток управляющего электрода (G – gate), суть в том, что эти два вопроса тесно связаны между собой, и в сущности, описывают одно и то же явление, но с разных сторон.
Ну и наконец, нужно помнить, что, чтобы закрыть тиристор нужно прекратить ток через него. Это может сыграть и негативную роль, например, если у нагрузки не постоянный характер, и ток в ней может изменяться в процессе работы, то если он опустится ниже, чем ток удержания — тиристор может закрыться и отключить её. Это негативное явление, и в таких случаях нужно контролировать ток нагрузки и следить, чтобы транзистор не закрывался самопроизвольно. Такая коммутация называется естественной.
А чтобы повысить надёжность запирания в те моменты, когда это необходимо, то можно подать на него обратное напряжение — на катод условный плюс, а на анод условный минус. Такая коммутация называется искусственной.
Из этого следует, что тиристор можно использовать в цепи переменного тока, а в цепи постоянного тока он закрываться не будет. Для работы при постоянном токе используют транзисторы.
Безусловно, есть простые схемы регуляторов, где тиристоры подключаются на выход выпрямительного моста, но в этих схемах никогда не используется фильтров, и токи, с которыми работают такие схемы, обычно не превышают и десятка ампер. Поэтому тиристор успевает закрыться в момент, когда напряжение на нём равно нулю, то есть между полупериодами, такой пример мы рассмотрим далее.
Перейдём к практике
Как вы могли убедиться управлять тиристорами не так уж и легко, но, чтобы понять, как с ними работать мы рассмотрим простые примеры, без учёта перечисленных выше параметров. Они подбираются для каждого конкретного случая при проектировании, а цель этой статьи ознакомить с читателем «что это такое и с чем его едят», поэтому перейдём к теме.
Выделяют такие способы управления тиристорами:
- Прямой, без гальванической развязки между силовой цепью и цепями управления.
- Оптический.
- Трансформаторный.
- С помощью источника тока.
Важно запомнить, что к полярности управляющего сигнала есть определённые требования: тиристору требуется положительное управляющее напряжение, приложенное относительно катода, а для симистора (симметричного тиристора) —сигнал управления должен быть таким же по полярности, как и в момент открытия на аноде (см. рисунок ниже).
Управление без гальванической развязки
При способе управления без гальванической развязки управляющий сигнал подаётся на управляющий электрод напрямую от источника питания через регулирующий орган с пороговым элементом или напрямую от устройства управления, микроконтроллера (крайне редко в «самоделках» и в устройствах заводского изготовления практически не встречается).
Используется в простых маломощных устройствах типа светорегуляторов (диммеров). Отличается ненадёжностью, в случае повреждений в силовой цепи может выйти из строя и цепь управления. Поэтому на практике в «нормальных» схемах такое решение почти не используется.
Схема подключается в разрыв между нагрузкой и переменным сетевым напряжением. На тиристор подаётся выпрямленное пульсирующее напряжение. Включение происходит, когда на аноде тиристора есть какое-то напряжение, и нагрузка обеспечивает ток выше величины удержания.
Управление происходит путём подключения источника постоянного тока к управляющему электроду. Ток управления ограничивается резистором R1, R2 – шунтирует УЭ подтягивая его к минусу питания, когда SA1 разомкнут. Когда ключ SA1 замыкается, тиристор включается и через нагрузку начинает протекать ток.
В качестве ключа может быть использован транзистор, и управляться он может от микроконтроллера или миниатюрное реле.
У этой схемы есть масса недостатков:
• Тиристор может включиться в любой момент, если это произойдёт, когда на аноде высокое напряжение (оно здесь может достигать 310В), то будет всплеск тока и помехи.
• Даже если импульс управления подать точно перед началом нарастания напряжения от нуля, то ток нагрузки в этот момент может не достичь тока удержания тогда тиристор закроется сразу же после окончания импульса.
• Если такую схему использовать с транзистором и микроконтроллером, как упоминалось выше, то в случае, когда тиристор пробьёт из-за перенапряжения или он сгорит от перегрузки, то сетевой напряжение попадёт на управляющий транзистор. Если его переход тоже пробьёт, то высокое напряжение попадёт на выход микроконтроллера, и он выйдет из строя.
На практике сложно встретить такую схему как показана на рисунке ниже, значительно более распространён следующий вариант схемы управления без гальванической развязки.
Здесь к выходу диодного моста подключён и сам тиристор и цепь управления им. Управляющий электрод подключается к тому же источнику, что и анод тиристора. В целом схема работает аналогично предыдущей:
При подключении схемы к сети 220В выпрямленное пульсирующее напряжение поступает на анод тиристора VS1, далее при замыкании ключа SA1 ток через ограничивающий резистор подаётся на УЭ и тиристор открывается, ток через него протекает к «минусу» диодного моста и возвращается в нулевой провод.
Закрывается он естественным образом, когда напряжение и ток снижается до нуля (между выпрямленными полуволнами). Для повышения стабильности работы УЭ подтянут к минусу питания через резистор R2.
Недостатки такие же.
Кстати, такую конструкцию можно уменьшить, если убрать диодный мост, а вместо тиристора использовать симистор.
Здесь также симистор подключается в разрыв между нагрузкой и источником питания, но уже не к выпрямленному, а к переменному напряжению. Как вы помните, на УЭ симистора подают напряжение и ток той же полярности что и на условном аноде. Так как УЭ подключён к тому же источнику питания, то и полярность управляющего напряжения совпадает и симистор будет нормально открываться.
Примечание: так как симистор – это два встречно параллельных тиристора, то у него и нет чёткого анода или катода. Анод всегда там, где приложен больший потенциал.
Закрываться симистор будет при переходе синусоиды через ноль, то есть на каждой половине периода. Чтобы это лучше понять вспомните, что симистор – это два тиристора соединённых встречно-параллельно. Когда синусоида проходит через ноль и к аноду открытого тиристора, пусть это будет VS1, прикладывается обратное напряжение, он закрывается, а ко второму тиристору (VS2) приложится прямое напряжение. Дальше всё повторяется, но с обратной полярностью, и так по кругу.
Повторюсь, что такая схема в «серьёзных» устройствах не используется, но по ней построены все бюджетные китайские светорегуляторы, которые в народе называют просто – диммеры, типовой пример вы видите ниже.
Давайте разберём эту схему по составляющим и её принцип работы.
Схему можно разделить на 2 части: силовую (симистор BT136) и управление (всё остальное)
Управляющая часть схемы состоит из времязадающей цепочки (резисторы R1, R3, потенциометр R2, конденсаторы C1 и С2), которая отвечает за момент включения симистора, и двунаправленного динистора DB3 с напряжением пробоя Ubo=28-36 Вольт. Потенциметр R2 здесь служит скорости заряда конденсаторов.
Примечание: динистор, он же диодный тиристор по устройству такой же, как тиристор, но без управляющего электрода, он открывается сам, когда на аноде напряжение достигает какой-то пороговой величины — напряжения пробоя.
Элементы R3 и C3 необязательны в этой схеме, но они нужны для повышения стабильности работы.
Демпферная цепочка, состоящая из конденсатора C1 и резистора R4 защищает симистор BT136 от всплесков ЭДС-самоиндукции, если схема подключена в цепь с индуктивной нагрузкой, например, при регулировке оборотов электродвигателей, поэтому в дешёвых светорегуляторах её также может не быть.
Теперь о принципе работы:
Когда схема подключается к сети, начинают заряжаться C2 и C3 через цепочку резисторов R1, R2 и потенциометра. Когда на обкладках C2 и C3 напряжение достигнет величины в диапазоне от 28 до 36 вольт, то динистор DB3 откроется и подаст управляющий импульс на УЭ симистора. Последний откроется и через него начнёт протекать ток нагрузки.
Так как напряжение синусоидальное, ток нагрузки изменяется по такому же закону, когда напряжение приблизится к 0, а ток нагрузки станет меньше тока удержания, симистор закроется и отключит нагрузку.
Такой процесс повторяется каждую полуволну синусоиды, с отличием лишь в полярности напряжения на всех элементах. Продублируем иллюстрацию работы симистора, которую мы приводили ранее.
Как вы можете видеть симистор закрывается каждый раз, при переходе синусоиды проходит через ноль, и открывается при появлении напряжения на управляющем электроде.
И как же всё-таки регулирует мощность эта схема? Как мы уже разобрались выше – тиристор открывается, когда достигается определённое напряжение для открытия динистора DB3, который даёт импульс на управляющий электрод. Так как времязадающая цепь подключена к тому же источнику питания, что и силовая, то напряжение нагрузки априори синхронизировано с управляющей цепью.
Время, за которое достигается напряжение открытия DB3 задаётся RC цепочкой. Если в ней увеличить сопротивление R, то конденсатор C будет заряжаться дольше, соответственно нужное для открытия напряжение на нём появится позже.
На рассматриваемой схеме за регулировку времени открытия отвечает потенциометр R2. Изменяя его сопротивление, мы задаём время заряда и выбираем момент открытия симистора. Время от точки перехода синусоиды через ноль до момента включения тиристора измеряется в градусах и называется углом альфа, реже — углом среза фазы.
Эпюры напряжений на нагрузке в разных положениях регулятора
Из эпюр мы видим, что симистор открывается только на небольшом кусочке синусоиды, поэтому уменьшается действующее напряжение на нагрузке.
Примечание: если вам угодно, то уменьшается действующая мощность. Вообще, эту схему называют все по-разному, кто-то «симисторный регулятор напряжения», кто-то «симисторный регулятор мощности». Да и симистор – это токовый прибор, поэтому справедливо даже говорить «… регулятор тока».
Это называется фазовым регулированием, а устройство с таким принципом регулирования – Система Импульсно-Фазового Управления (СИФУ).
Процесс регулирования по такому принципу в англоязычной литературе называют Leading Edge Dimming, что переводится как диммирование по возрастающему (переднему) фронту фазы. Есть регуляторы, которые, наоборот, срезают заднюю часть синусоиды, но их мы рассматривать не будем.
За простоту схемы приходится платить помехами и прочими гармониками в электросети. Если вы внимательно посмотрите на эпюры напряжений на нагрузке в разных положениях регулятора, то увидите, что напряжение на нагрузку подаётся в любой момент, зачастую это не 0 вольт. На 50% мощности напряжение в нагрузку и вовсе подаётся при амплитудном напряжении (310В). Из-за этого происходят всплески тока нагрузки, и возникают помехи в электросети. Если интересно, то предлагаю почитать статью на смежную тему, или просто запомнить «дешёвые тиристорные диммеры – это плохо».
Но это не единственный метод регулировки мощности нагрузки, есть ещё и так называемое целочисленное или широтно-импульсное управление (не путать с ШИМ), когда через тиристор или симистор включают нужное число полуволн и амплитудный метод.
Но посмотрим и на другие способы управления тиристорами.
Оптическое управление
Гальванически развязать силовую цепь и управление можно с помощью оптоэлектронных приборов, обычно это симисторные драйверы. Такие драйверы состоят из оптосимистора и светодиода, расположенных в одном закрытом корпусе, их ещё называют «симисторные оптопары».
На рисунке изображён пример такой схемы управления, на ней U1 – это симисторный драйвер.
Почему используется именно симисторная оптопара, а не транзисторная, например? Потому что на УЭ симистора в силовой цепи нужно подавать управляющий импульс, совпадающий по полярности с напряжением на аноде. Транзисторы проводят ток в одном направлении, поэтому оптопара с транзисторным выходом не подойдёт.
Работает это следующим образом: от выхода управляющего устройства, например, микроконтроллера, подают сигнал через токоограничивающий резистор R1 на вход оптопары. Сопротивление R1 подбирают исходя из тока и напряжения для включения внутреннего светодиода оптопары (в справочниках указывают эти параметры указывают, как «входной ток/напряжение») и логического уровня на выходе микроконтроллера (например, 5 или 3.3 вольта).
При подаче сигнала на вход оптопары включается светодиод, излучение которого открывает внутренний оптосимистор. Последний подключён между источником питания и управляющим электродом силового симистора D1 через токоограничивающий резистор R2, сопротивление которого подбирается по напряжению на входе и току отпирания D1.
Здесь также как и в предыдущей схеме установлена демпфирующая цепочка R4C1 параллельно силовому элементу, для защиты его от выбросов ЭДС-самоиндукции и прочих выбросов при коммутации.
Но если посмотреть на схему симисторного драйвера внимательно, то можно увидеть посередине внизу, между светодиодом и симистором изображён небольшой квадрат, ниже вы можете увидеть блок-схему этого драйвера из даташита.
«Zero crossing circuit», иногда «zero crossing detector circuit» – это важный блок в драйвере. В свободном переводе его название звучит так: «цепь контроля перехода через ноль», а в рускоязычном пространстве его чаще называют «нуль-детектор» или «датчик нуля». Благодаря ему управляемый симистор всегда будет открываться в момент перехода питающего напряжения через ноль. Это нужно, чтобы снизить нагрузку на тиристор при его включении, а также избежать нежелательных помех в электросети, о которых мы писали ранее.
Поэтому делаем вывод, что внутри нет «настоящего» оптосимистора, сигнал подаётся на вход этого датчика нуля и когда бы вы не подали управляющий импульс на вход драйвера – его внутренний симистор не откроется до тех пор, пока на его выводах не будет нуля вольт, после чего на него будет подан управляющий сигнал, он откроется и подаст ток на УЭ силового симистора.
Однако из-за этого возникает логичный вопрос — если один из распространённых методов управления мощностью нагрузки – это фазовое регулирование или срез фазы, то можно ли его реализовать при использовании такого драйвера?
С помощью именно такого драйвера нельзя, но есть разные симисторные драйверы, и отличаются они рабочим напряжением выходного симистора, и наличием этого самого датчика перехода через ноль. Самые распространённые драйверы, это микросхемы MOC304x, MOC305x, MOC306X, производимые компанией Motorola и другими.
В каталогах от производителей и магазинов наличие ZCD, часто явно указывается в описании микросхемы «переключение в любой момент времени» или «переключение при переходе через ноль».
Но даже если вы выберете нужный драйвер (без контроля перехода через), то так просто управлять симистором и регулировать мощность нагрузки с помощью фазоимпульсного управления «просто так» не получится, для этого добавляют в схему блок контроля перехода через ноль.
Здесь питание на NPN-фототранзистор в оптроне PC817 подаётся через токоограничивающий резистор R1, который подбирается по току коллектора (в нашем случае 50 мА все данные приведены в технической документации к каждого из элементов), а на вход оптрона через токоограничивающие резисторы и диодный мост подаётся напряжение сети.
К коллектору транзистора подключается вход микроконтроллера, когда транзистор открыт — вход микроконтроллера соединён с землёй, то есть на входе появляется низкий логический уровень. А когда транзистор закрыт – высокий логический уровень (здесь это 5 вольт через ограничивающий резистор).
Когда на выходе диодного моста сети больше 1,2…1,4 вольт (тоже из характеристик оптрона), то светодиод в PC817 включается и открывает транзистор. Когда напряжение опускается ниже этих значений – светодиод гаснет, и транзистор закрывается. В результате микроконтроллер «видит» когда у нас в сети напряжение близкое к 0 вольт.
Примечание: на входе моста для включения оптрона должно быть напряжение чуть больше, чем эти 1,2…1,4 вольта.
Такое решение работает благодаря тому, что у нас симистором управляет симистор, поэтому нет смысла контролировать полярность управляющего сигнала.
Управление через трансформатор
Ещё один из способов управления тиристором с гальванической развязкой – это управление с помощью импульсного трансформатора. Схему вы видите ниже.
Здесь импульсный трансформатор Т гальванически развязывает схему управления от силовой цепи, через него подаётся импульс управления от микроконтроллеров или других электронных схем. Диод VD нужен для защиты управляющего электрода тиристора от отрицательного выброса напряжения, образующегося на вторичной обмотке трансформатора Т, после снятия импульса управления с первичной обмотки. Резисторы нужны для ограничения тока (Rогр) и для шунтирования УЭ (Rш), как в первой из рассмотренных схем в этой статье.
Ограничительный резистор Rогр подбирается по напряжению вторичной обмотки и току отпирания, обычно в диапазоне от 10 до 100 Ом. Точно подобрать ток и напряжение вторичной обмотки под ток и напряжения УЭ тиристора затруднительно, так как входное сопротивление УЭ тиристоров может отличаться даже у приборов из одной партии, поэтому проще задать его резистором. Без резистора Rогр тиристор может «плохо» открываться или, наоборот, область будет перегреваться или сгорать область управляющего электрода.
Шунтирующий резистор Rш устанавливается, чтобы подавить наводки и помехи наводимые на проводники схемы. Говоря простым языком – он нужен для того, чтобы тиристор не открывался от наводок, когда это не нужно.
Заключение
Можно ещё долго углубляться в схемотехнику и особенности работы с этим видом силовых ключей, но статья и так растянулась. Поэтому предлагаю здесь и закончить. Расскажите, а вам приходится работать с тиристорами ли другой электроникой в своей практике?
Алексей Бартош, специально для компании ЭТМ