Zasady sterowania tyrystorowego i triakowego

Zacznijmy od najprostszych schematów. W najprostszym przypadku, aby sterować tyrystorem, wystarczy na krótko dostarczyć do jego elektrody sterującej stały prąd o określonej wartości. Mechanizm dostarczania tego prądu można przedstawić schematycznie, przedstawiając przełącznik, który zamyka się i dostarcza energię, jak stopień wyjściowy układu scalonego lub tranzystora.

Jest to pozornie prosta metoda, ale moc sygnału sterującego musi być tutaj znacząca. Tak więc w normalnych warunkach dla triaka KU208 prąd ten powinien wynosić co najmniej 160 mA, a dla trinistora KU201 powinien wynosić co najmniej 70 mA. Tak więc przy napięciu 12 woltów i średnim prądzie, powiedzmy, 115 mA, moc sterująca wyniesie teraz 1,4 W.

Wymagania dotyczące biegunowości sygnału sterującego są następujące: SCR wymaga napięcia sterującego, które jest dodatnie w stosunku do katody, a triak (tyrystor zrównoważony) wymaga tej samej polaryzacji co prąd anodowy lub ujemnej dla każdego z półokresów .

Elektroda kontrolna triaka nie jest bocznikowana, trinistor jest sterowany za pomocą rezystora 51 omów.Nowoczesne tyrystory wymagają coraz mniejszego prądu sterującego i bardzo często można spotkać obwody, w których prąd sterujący tyrystorów zmniejsza się do około 24 mA, a dla triaków do 50 mA.

Może się zdarzyć, że gwałtowny spadek prądu w obwodzie sterującym wpłynie na niezawodność urządzenia, dlatego czasami programiści muszą wybrać tyrystory osobno dla każdego obwodu. W przeciwnym razie, aby otworzyć tyrystor niskoprądowy, jego napięcie anodowe musiałoby być w tym momencie wysokie, co prowadziłoby do szkodliwego prądu rozruchowego i zakłóceń.

Brak sterowania według najprostszego schematu opisanego powyżej jest oczywisty: istnieje trwałe połączenie galwaniczne obwodu sterującego z obwodem elektrycznym. Triaki w niektórych obwodach umożliwiają podłączenie jednego z zacisków obwodu sterującego do przewodu neutralnego. SCR pozwalają na takie rozwiązanie jedynie poprzez dodanie mostka diodowego do obwodu obciążenia.

W rezultacie moc dostarczana do obciążenia jest zmniejszona o połowę, ponieważ napięcie jest dostarczane do obciążenia tylko w jednym z okresów sinusoidy sieci. W praktyce mamy do czynienia z faktem, że prawie nigdy nie stosuje się obwodów z tyrystorowym sterowaniem prądu stałego bez galwanicznej izolacji węzłów, z wyjątkiem sytuacji, gdy sterowanie z jakiegoś ważnego powodu musi być przeprowadzane w ten sposób.

Typowym rozwiązaniem sterowania tyrystorem jest przykładanie napięcia do elektrody bramkowej bezpośrednio z anody przez rezystor poprzez zamknięcie przełącznika na kilka mikrosekund. Kluczem może tu być wysokonapięciowy tranzystor bipolarny, mały przekaźnik lub fotorezystor.

Takie podejście jest dopuszczalne przy stosunkowo wysokim napięciu anodowym, jest wygodne i proste, nawet jeśli obciążenie zawiera składnik reaktywny. Ale jest też wada: niejednoznaczne wymagania dotyczące rezystora ograniczającego prąd, który musi mieć małą wartość nominalną, aby tyrystor włączał się bliżej początku półcyklu fali sinusoidalnej, gdy jest włączany po raz pierwszy, nie przy zerowym napięciu sieciowym (przy braku synchronizacji) może również dojść do 310 woltów, ale prąd płynący przez przełącznik i przez elektrodę sterującą tyrystora nie powinien przekraczać dla nich maksymalnych dopuszczalnych wartości.

Sam tyrystor otworzy się na napięcie Uop = Iop * Rlim. W efekcie wystąpią szumy i nieznacznie spadnie napięcie obciążenia Obliczona rezystancja rezystora Rlim jest pomniejszana o wartość rezystancji obwodu obciążenia (wraz z jego elementem indukcyjnym), który jest połączony szeregowo z rezystor w momencie włączenia.

Ale w przypadku urządzeń grzewczych bierze się pod uwagę fakt, że w stanie zimnym ich opór jest dziesięciokrotnie mniejszy niż w działającym nagrzanym. Nawiasem mówiąc, ze względu na fakt, że w triakach prąd włączania dla półfal dodatnich i ujemnych może się nieznacznie różnić, na obciążeniu może pojawić się niewielka składowa stała.

Czas włączenia tyrystora SCR zwykle nie przekracza 10 μs, dlatego w celu ekonomicznego sterowania mocą obciążenia można zastosować ciąg impulsów o współczynniku wypełnienia 5, 10 lub 20 dla częstotliwości 20, 10 i 5 kHz, odpowiednio. Moc spadnie od 5 do 20 razy.

Wada jest następująca: tyrystor może się włączyć, a nie na początku półcyklu.Jest pełen fal i hałasu. A przecież nawet jeśli załączenie nastąpi tuż przed początkiem wzrostu napięcia od zera, to w tym momencie prąd elektrody sterującej może jeszcze nie osiągnąć wartości podtrzymania, to tyrystor wyłączy się zaraz po zakończeniu puls.

W rezultacie tyrystor będzie najpierw włączał się i wyłączał na krótkie odstępy czasu, aż w końcu prąd przybierze kształt sinusoidy. W przypadku obciążeń ze składową indukcyjną prąd może nie osiągnąć wartości podtrzymania, co narzuca dolną granicę czasu trwania impulsów sterujących, a pobór mocy nie spadnie znacząco.

Odseparowanie obwodu sterującego od sieci zapewnia tzw. rozruch impulsowy, który można łatwo przeprowadzić instalując mały transformator separacyjny na pierścieniu ferrytowym o średnicy mniejszej niż 2 cm.Ważne jest, aby napięcie izolacji takiego transformatora powinna być wysoka, a nie jak każdy przemysłowy transformator impulsowy...

Aby znacznie zmniejszyć moc potrzebną do sterowania, konieczne będzie zastosowanie bardziej precyzyjnego sterowania. Prąd bramki musi być wyłączony tak samo jak tyrystor jest włączony. Gdy przełącznik jest zamknięty, tyrystor włącza się, a gdy tyrystor zaczyna przewodzić prąd, mikroukład przestaje dostarczać prąd przez elektrodę kontrolną.

Takie podejście naprawdę oszczędza energię potrzebną do napędzania tyrystora. Jeśli przełącznik jest obecnie zamknięty, napięcie anodowe jest nadal niewystarczające, tyrystor nie zostanie otwarty przez mikroukład (napięcie powinno być nieco większe niż połowa napięcia zasilania mikroukładu). Napięcie włączenia jest regulowane dobór rezystorów odsprzęgających.

Aby sterować triakiem w ten sposób, konieczne jest śledzenie polaryzacji, dlatego do obwodu dodaje się blok pary tranzystorów i trzech rezystorów, który ustala moment, w którym napięcie przekracza zero. Bardziej złożone schematy wykraczają poza zakres tego artykułu.