Управление тиристорами микроконтроллером


Управление тиристорами микроконтроллером САЙТ КРЫЛОВА ПАВЛА
Управление тиристорами микроконтроллеромГлавная
Схемы Ветрогенераторы Собаки Стройка Книги О сельском хозяйстве и прочем
Управление тиристорами микроконтроллером


СХЕМЫ—->
Полезная схемотехника. статьи № 1-50

Методы и устройства управления тиристорами.

В. Крылов

В настоящее время тиристоры находят широкое применение в различных устройствах автоматического контроля, сигнализации и управления. Тиристор представляет собой управляемый полупроводниковый диод, которому свойственны два устойчивых состояния: открытое, когда прямое сопротивление тиристора весьма мало и ток в его цепи зависит в основном от напряжения источника питания и сопротивления нагрузки, и закрытое, когда его прямое сопротивление велико и ток составляет единицы миллиампер.

На рис. 1 показана типовая вольтамперная характеристика тиристора, где участок О А соответствует закрытому состоянию тиристора, а участок БВ — открытому.


типовая вольтамперная характеристика тиристора

При отрицательных напряжениях тиристор ведет себя как обычный диод (участок ОД).

Если увеличивать прямое напряжение на закрытом тиристоре при токе управляющего электрода, равном нулю, то при достижении величины Uвкл тиристор откроется. Такое переключение тиростора называют переключением по аноду. Работа тиристора при этом аналогична работе неуправляемого полупроводникового четырехслойного диода — динистора.

Наличие управляющего электрода позволяет открывать тиристор при анодном напряжении, меньшем Uвкл. Для этого необходимо по цепи управляющий электрод — катод пропустить ток управления Iу. Вольтамперная характеристика тиристора для этого случая показана на рис. 1 пунктиром. Минимальный ток управления, необходимый для открывания тиристора, называется током спрямления Iспр. Ток спрямления сильно зависит от температуры. В справочниках он указывается при определенном анодном напряжении. Если за время действия тока управления анодный ток превысит значение тока выключения Iвыкл, то тиристор останется открытым и по окончании действия тока управления; если же этого не произойдет, то тиристор снова закроется.


При отрицательном напряжении на аноде тиристора подача напряжения на его управляющий электрод не допускается. Недопустимо также на управляющем электроде отрицательное (относительно катода) напряжение, при котором обратный ток управляющего электрода превышает несколько миллиампер.

Открытый тиристор можно перевести в закрытое состояние, только снизив его анодный ток до величины, меньшей Iвыкл. В устройствах постоянного тока для этой цели используются специальные гасящие цепочки, а в цепи переменного тока тиристор закрывается самостоятельно в момент перехода величины анодного тока через нуль.

Это является причиной наиболее широкого применения тиристоров в цепях переменного тока. Все рассматриваемые ниже схемы имеют отношение только к тиристорам, включенным в цепь переменного тока.

Для обеспечения надежной работы тиристора источник управляющего напряжения должен удовлетворять определенным требованиям. На рис. 2 показана эквивалентная схема источника управляющего напряжения, а на рис. 3 — график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.

эквивалентная схема источника управляющего напряжения тиристора. график, с помощью которого можно определить требования к его нагрузочной прямой.


На графике линии А и Б ограничивают зону разброса входных вольтамперных характеристик тиристора, представляющих собой зависимости напряжения на управляющем электроде Uу от тока этого электрода Iу при разомкнутой анодной цепи. Прямая В определяет минимальное напряжение Uу, при котором открывается любой тиристор данного типа при минимальной температуре. Прямая Г определяет минимальный ток Iу, достаточный для открывания любого тиристора данного типа при минимальной температуре. Каждый конкретный тиристор открывается в определенной точке своей входной характеристики. Заштрихованная зона является геометрическим местом таких точек для всех тиристоров данного типа, удовлетворяющих техническим условиям. Прямые Д и Е определяют максимально допустимые значения напряжения Uу и тока Iу соответственно, а кривая К — максимально допустимое значение мощности, рассеиваемой на управляющем электроде. Нагрузочная прямая Л источника управляющего сигнала проведена через точки, определяющие напряжение холостого хода источника Еу.хх и его ток короткого замыкания Iу.кз= Eу.хх/Rвнутр, где Rвнутр— внутреннее сопротивление источника. Точка S пересечения нагрузочной прямой Л с входной характеристикой (кривая М) выбранного тиристора должна находиться в области, лежащей между заштрихованной зоной и линиями А, Д, К, Е и Б.


Эта область носит название предпочтительной области открывания. Горизонтальная прямая Н определяет наибольшее напряжение на управляющем переходе, при котором не открывается ни один тиристор данного типа при максимально допустимой температуре. Таким образом, эта величина, составляющая десятые доли вольта, определяет максимально допустимую амплитуду напряжения помехи в цепи управления тиристором.

После открывания тиристора цепь управления не влияет на его состояние, поэтому управление тиристором может осуществляться импульсами небольшой длительности (десятки или сотни микросекунд), что позволяет упростить схемы управления и снизить мощность, рассеиваемую на управляющем электроде. Длительность импульса, однако, должна быть достаточной для нарастания анодного тока до величины, превышающей ток выключения Iвыкл при различном характере нагрузки и режиме работы тиристора.

Сравнительная простота устройств управления при работе тиристоров в цепях переменного тока обусловила широкое применение этих приборов в качестве регулирующих элементов в устройствах стабилизации и регулирования напряжения. Среднее значение напряжения на нагрузке при этом регулируют изменением момента подачи (то есть фазы) управляющего сигнала относительно начала полупериода питающего напряжения. Частота следования управляющих импульсов в таких схемах должна быть синхронизирована с частотой сети.


Существует несколько методов управления тиристорами, из которых следует отметить амплитудный, фазовый и фазо-импульсный.

Амплитудный метод управления заключается в том, что на управляющий электрод тиристора подают положительное напряжение, изменяющееся по величине. Тиристор открывается в тот момент, когда это напряжение становится достаточным для протекания через управляющий переход тока спрямления. Изменяя напряжение на управляющем электроде, можно изменять момент открывания тиристора. Простейшая схема регулятора напряжения, построенная по этому принципу, приведена на рис. 4.

Простейшая схема регулятора напряжения на тиристоре.

В качестве управляющего напряжения здесь используется часть анодного напряжения тиристора, то есть напряжения положительного полупериода сети. Резистором R2 изменяют момент открывания тиристора Д1 и, следовательно, среднее значение напряжения на нагрузке. При полностью введенном резисторе R2 напряжение на нагрузке минимально. Диод Д2 защищает управляющий переход тиристора от обратного напряжения. Следует обратить внимание на то, что цепь управления подключена не непосредственно к сети, а параллельно тиристору. Сделано это для того, чтобы открытый тиристор шунтировал цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на ее элементах.


Основными недостатками рассматриваемого устройства являются сильная зависимость напряжения на нагрузке от температуры и необходимость индивидуального подбора резисторов для каждого экземпляра тиристора. Первое объясняется температурной зависимостью тока спрямления тиристоров, второе — большим разбросом их входных характеристик. Кроме того, устройство способно регулировать момент открывания тиристора только в течение первой половины положительного полупериода напряжения сети.

Управляющее устройство, схема которого приведена на рис. 5, позволяет расширить диапазон регулирования до 180°, а включение тиристора в диагональ выпрямительного моста — регулировать напряжение на нагрузке в течение обоих полупериодов напряжения сети.

Конденсатор С1 заряжается через резисторы R1 и R2 до напряжения, при котором через управляющий переход тиристора протекает ток, равный току спрямления. При этом тиристор открывается, пропуская ток через нагрузку. Благодаря наличию конденсатора напряжение на нагрузке меньше зависит от колебаний температуры, но тем не менее и этому устройству присущи те же недостатки.

При фазовом методе управления тиристорами с помощью фазовращательного моста изменяют фазу управляющего напряжения относительно напряжения на аноде тиристора. На рис. 6 приведена схема однополупериодного регулятора напряжения, в котором изменение напряжения на нагрузке осуществляется резистором R2, включенным в одно из плеч моста, с диагонали которого напряжение поступает на управляющий переход тиристора.


схема однополупериодного регулятора напряжения на тиристоре. Фазо-импульсный метод управления тиристором

Напряжение на каждой половине обмотки III управления должно быть приблизительно 10 в. Остальные параметры трансформатора определяются напряжением и мощностью нагрузки. Основным недостатком фазового метода управления является малая крутизна управляющего напряжения, из-за чего стабильность момента открывания тиристора получается невысокой.

Фазо-импульсный метод управления тиристорами отличается от предыдущего тем, что с целью повышения точности и стабильности момента открывания тиристора на его управляющий электрод подают импульс напряжения с крутым фронтом. Этот метод получил в настоящее время наибольшее распространение. Схемы, реализующие этот метод, отличаются большим разнообразием.

На рис. 7 приведена схема одного из самых простых устройств, использующих фазо-импульсный метод управления тиристором.


При положительном напряжении на аноде тиристора Д3 конденсатор С1 заряжается через диод Д1 и переменный резистор R1. Когда напряжение на конденсаторе достигнет напряжения включения динистора Д2, он открывается и конденсатор разряжается через управляющий переход тиристора. Этот импульс разрядного тока открывает тиристор Д3 и через нагрузку начинает протекать ток. Изменяя резистором R1 ток заряда конденсатора, можно изменять момент открывания тиристора в пределах полупериода напряжения сети. Резистор R2 исключает самооткрывание тиристора Д3 за счет токов утечки при повышенной температуре. По техническим условиям при работе тиристоров в ждущем режиме установка этого резистора обязательна. Приведенная на рис. 7 схема не нашла широкого применения из-за большого разброса величины напряжения включения динисторов, доходящего до 200%, и значительной зависимости напряжения включения от температуры.

Одной из разновидностей фазо-импульеного метода управления тиристорами является получившее в настоящее время наибольшее распространение так называемое вертикальное управление. Оно заключается в том, что на входе генератора импульсов производится сравнение (рис. 8) постоянного напряжения (1) и напряжения, изменяющегося по величине (2). В момент равенства этих напряжений генерируется импульс (3) управления тиристором. Переменное по величине напряжение может иметь синосоидальную, треугольную или пилообразную (как показано на рис. 8) форму.


вертикальное управление тиристором

Как видно из рисунка, изменение момента возникновения управляющего импульса, то есть сдвиг его фазы, может производиться тремя различными способами:

изменением скорости нарастания переменного напряжения (2а),

изменением его начального уровня (2б) и

изменением величины постоянного напряжения (1а).

На рис. 9 показана структурная схема устройства, реализующего вертикальный метод управления тиристорами.

Как и любое другое устройство фазо-импульсного управления, оно состоит из фазосдвигающего устройства ФСУ и генератора импульсов ГИ. Фазосдвигающее устройство, в свою очередь, содержит входное устройство ВУ, воспринимающее напряжение управления Uу, генератор переменного (по величине) напряжения ГПН и сравнивающее устройство СУ. В качестве названных элементов могут быть использованы самые различные устройства.

На рис. 10 приведена принципиальная схема устройства управления тиристором (Д5), включенным последовательно с мостовым выпрямителем (Д1 — Д4).

схема устройства управления тиристором

Устройство состоит из генератора пилообразного напряжения с транзисторным коммутатором (Т1), триггера Шмитта (Т2, Т3) и выходного ключевого усилителя (Т4). Под действием напряжения, снимаемого с синхронизирующей обмотки III трансформатора Тр1, транзистор Т1 закрыт. При этом конденсатор С1 заряжается через резисторы R3 и R4. Напряжение на конденсаторе возрастает по экспоненциальной кривой, начальный участок которой с некоторым приближением можно считать прямолинейным (2, см. рис. 8).

При этом транзистор Т2 закрыт, а Т3 открыт. Ток эмиттера транзистора Т3 создает на резисторе R6 падение напряжения, которое определяет уровень срабатывания триггера Шмитта (1 на рис. 8). Сумма напряжений на резисторе R6 и открытом транзисторе Т3 меньше, чем напряжение на стабилитроне Д10, поэтому транзистор Т4 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигает уровня срабатывания триггера Шмитта, транзистор Т2 открывается, а Т3 закрывается. Транзистор T4 при этом открывается и на резисторе R10 появляется импульс напряжения, открывающий тиристор Д5 (импульс 3 на рис. 8). В конце каждого полупериода напряжения сети транзистор T1 открывается током, протекающим через резистор R2. Конденсатор С1 при этом разряжается практически до нуля и устройство управления возвращается в исходное состояние. Тиристор закрывается в момент перехода амплитуды анодного тока через нуль. С началом следующего полупериода цикл работы устройства повторяется.

Изменяя сопротивление резистора R3, можно изменять ток заряда конденсатора С1, то есть скорость нарастания напряжения на нем, а значит, и момечт появления открывающего тиристор импульса. Заменив резистор R3 транзистором, можно автоматически регулировать напряжение на нагрузке. Таким образом, в этом устройстве использован первый из названных выше способов сдвига фазы управляющих импульсов.

Небольшое изменение схемы, показанное на рис. 11, позволяет получить регулирование по второму способу. В этом случае конденсатор С1 заряжается через постоянный резистор R4 и скорость нарастания пилообразного напряжения во всех случаях одинакова. Но при открывании транзистора T1 конденсатор разряжается не до нуля, как в предыдущем устройстве, а до напряжения управления Uу.
Следовательно, и заряд конденсатора в очередном цикле начнется с этого уровня. Изменяя напряжение Uу, регулируют момент открывания тиристора. Диод Д11 отключает источник напряжения управления от конденсатора во время его заряда.

схема устройства управления тиристором

Выходной каскад на транзисторе T4 обеспечивает необходимое усиление по току. Используя в качестве нагрузки импульсный трансформатор, можно одновременно управлять несколькими тиристорами.

В рассматриваемых устройствах управления к управляющему переходу тиристора напряжение приложено в течение отрезка времени от момента равенства постоянного и пилообразного напряжений до окончания полупериода напряжения сети, то есть до момента разряда конденсатора C1. Уменьшить длительность управляющего импульса можно включением дифференцирующей цепочки на входе усилителя тока, выполненного на транзисторе Т4 (см. рис. 10).

Одним из вариантов вертикального метода управления тиристорами является число-импульсный метод. Его особенность состоит в том, что на управляющий электрод тиристора подают не один импульс, а пачку коротких импульсов. Длительность пачки равна длительности управляющего импульса, показанного на рис. 8.

Частота следования импульсов в пачке определяется параметрами генератора импульсов. Число-импульсный метод управления обеспечивает надежное открывание тиристора при любом характере нагрузки и позволяет уменьшить мощность, рассеиваемую на управляющем переходе тиристора. Кроме этого, если на выходе устройства включен импульсный трансформатор, возможно уменьшить его размеры и упростить конструкцию.

На рис. 12 приведена схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод.

схема управляющего устройства, использующего число-импульсный метод на тиристоре

В качестве узла сравнения и генератора импульсов здесь применен балансный диодно-регенеративный компаратор, состоящий из схемы сравнения на диодах Д10, Д11 и собственно блокинг-генератора, собранного на транзисторе Т2. Диоды Д10, Д11 управляют работой цепи обратной связи блокинг-генератора.

Как и в предыдущих случаях, при закрытом транзисторе Т1 начинается заряд конденсатора С1 через резистор R3. Диод Д11 открыт напряжением Uу, а диод Д10 закрыт. Таким образом, цепь обмотки IIa положительной обратной связи блокинг-генератора разомкнута, а цепь обмотки IIб отрицательной обратной связи замкнута и транзистор Т2 закрыт. Когда напряжение на конденсаторе С1 достигнет напряжения Uу, диод Д11 закроется, а Д10 откроется. Цепь положительной обратной связи окажется замкнутой, и блокинг-генератор начнет вырабатывать импульсы, которые с обмотки I трансформатора Тр2 будут поступать на управляющий переход тиристора. Генерация импульсов будет продолжаться до конца полупериода напряжения сети, когда откроется транзистор T1 и конденсатор С1 разрядится. Диод Д10 при этом закроется, а Д11 откроется, блокинг-процесс прекратится, и устройство вернется в исходное состояние. Изменяя напряжение управления Uу, можно изменять момент начала генерации относительно начала полупериода и, следовательно, момент открывания тиристора. Таким образом, в данном случае используется третий способ сдвига фазы управляющих импульсов.

Применение балансной схемы узла сравнения обеспечивает температурную стабильность его работы. Кремниевые диоды Д10 и Д11 с малым обратным током позволяют получить высокое входное сопротивление сравнивающего узла (около 1 Мом). Поэтому он не оказывает практически никакого влияния на процесс заряда конденсатора С1. Чувствительность узла весьма высока и составляет несколько милливольт. Резисторы R6, R8, R9 и конденсатор С3 определяют температурную стабильность рабочей точки транзистора Т2. Резистор R7 служит для ограничения коллекторного тока этого транзистора и улучшения формы импульса блокинг-генератора. Диод Д13 ограничивает выброс напряжения на коллекторной обмотке III трансформатора Тр2, возникающий при закрывании транзистора. Импульсный трансформатор Тр2 можно выполнить на ферритовом кольце 1000НН типоразмера К15Х6Х4,5. Обмотки I и III содержат по 75, а обмотки II а и II б — по 50 витков провода ПЭВ-2 0,1.

Недостатком этого устройства управления является сравнительно низкая частота следования импульсов (примерно 2 кгц при длительности импульса 15 мксек). Увеличить частоту можно, например, уменьшив сопротивление резистора R4, через который разряжается конденсатор С2, но при этом несколько ухудшается температурная стабильность чувствительности сравнивающего узла.

Число-импульсный метод управления тиристорами можно использовать и в рассмотренных выше (рис. 10 и 11) устройствах, поскольку при определенном выборе номиналов элементов (С1, R4— R10, см. рис. 10) триггер Шмитта при напряжении на конденсаторе С1, превышающем уровень срабатывания триггера, генерирует не одиночный импульс, а последовательность импульсов. Их длительность и частота следования определяются параметрами и режимом триггера. Такое устройство получило название «мультивибратор с разрядным триггером».

В заключение следует отметить, что значительное схемное упрощение устройств управления тиристорами при сохранении высоких качественных показателей может быть достигнуто с помощью однопереходных транзисторов.


[email protected]

Управление тиристорами микроконтроллером
 

Источник: altay-krylov.ru

  • Мощный резонансный блок питания на FAN7621. LLC resonant power supply
  • Изготовление качественных печатных плат при помощи термотрансферной бумаги методом ЛУТ
  • Вертушка Вега ЭП-110. Учим старую собаку новым трюкам
  • Параметры всех трансформаторов ТАН, ТН, ТА, ТПП, ОСМ, ТВК, ТС, ТНВС, ТП, ТПГ, ТПК. Справочник в MS Excel [v.121312, 1543шт.]
  • Двухтактный ламповый усилитель на 6П3С по мотивам Нобу Шишидо
  • Усилитель для наушников Джона Л. Худа в классе А на базе клона китайского клона
  • Аудиоусилитель Радиотехника У-101. Возвращение к жизни
  • Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-4. Токовая помпа Хоуленда. Подписка на платы!
  • Изучаем резонанс. Часть 2. Импульсный БП для лампового усилителя
  • Двухтактный ламповый усилитель с фиксированным смещением на 6Н1П + 6П36С
  • Аудио ЦАП DAC. Поделки начинающего цапостроителя. Часть 17. Универсальный ЦАП на три источника на базе пары PCM1794
  • Оснастка Лазеро Кипятильной Технологии для изготовления печатных плат. Вы ещё не кипятите? Тогда мы идём к вам!
  • Двухполярный блок питания из готовых китайских модулей dc-dc step down LM2596
  • Травление печатных плат — чистое и безопасное. Рецепт с лимонной кислотой и перекисью водорода
  • 6Э5П, 6Н8С + 6Н13С. Два ламповых усилителя для высокоомных наушников с импульсным источником питания
  • Настольная лампа в стиле "Steampunk". Подарок лучшему другу
  • Догоним STAX! Электростатические звукоизлучатели для наушников
  • Универсальный ламповый звукоусилительный комплект: фонокорректор, PP/SE, ORTO, схемы и чертежи
  • Простой ламповый стереоусилитель 6Н2П+6П14 в корпусе усилителя "Радиотехника У-101"
  • Фильтр питания на полевом транзисторе для лампового усилителя
  • Ламповый аудиокомплекс начинающего. Восемь вариантов включения ламп + АС с чертежами
  • Хэдамп Crystal cMoy. Пособие в картинках для начинающих литейщиков акрила
  • Измерения переменного напряжения звуковой частоты мультиметрами М-832
  • Корпус усилителя мощности своими руками
  • Предварительный аудиоусилитель: схема, плата, технология изготовления корпуса и карданных регуляторов
  • Полный усилитель на микросхемах. Часть 5-3. Усилитель в режиме ИТУН
  • Переделка компьютерного блока питания под зарядное устройство в подробностях
  • Пошаговая инструкция по навесному монтажу лампового усилителя МАИ на 6Ф3П для начинающих
  • Новое рождение 50АС-106 или на что способны советские динамики
  • Мощный однотактный ламповый аудиоусилитель на ГУ-50
  • Вторая жизнь лампового радиоприемника Philips 592LN (Голландия, 1947). Часть 1
  • Сверлильный станок для печатных плат на базе механизмов дисковых приводов
  • Настольная дисковая циркулярная пила. Еще один станок в домашнюю мастерскую
  • Инвертор Pure sine wave на базе контроллера EG8010 (модуль EGS002). Чистый синус 220V из аккумулятора
  • Стрелочный индикатор на микроконтроллере Attyny13: «показометр» для вашего усилителя
  • Простой зарядник для литиевых аккумуляторов
  • Разбираемся с катушками, наводим порядок с хвостами и концами
  • Восстановление ламповых панелей
  • Улучшение динамиков 10 ГДШ-1-4 (10 ГД-36К) и новая АС закрытого типа
  • Усилитель для наушников на специализированной микросхеме TPA6120
  • Гонка форматов 16/44, 24/192, … в поисках верного звучания. Винил, пленки, кассеты, компакт-диски и т.д.
  • Ламповый усилитель «Покемон»: 6Н23П + 6П14П на одной плате и в тонком корпусе
  • Тестер ёмкости автомобильного аккумулятора (ATmega8A + LM2575). Готовимся к зиме
  • Небольшой мастер-класс по изготовлению корпуса лампового усилителя
  • Полный усилитель на микросхемах. Часть 1. Усилитель мощности звуковой частоты на TDA2006, TDA2030, TDA2040, TDA2050, LM1875
  • «Chandelier» — ламповый усилитель на 6С19П, 6Н6П, 6Н1П с особенным выходным каскадом
  • Стабилизированный лабораторный блок питания 0-30В 0,002-3А
  • Слово на букву "з" или Как оторвать ваше аудио от земли (by Bruno Putzeys)
  • Гальваническая развязка от сети 220 V из старого бесперебойника
  • Лабораторный блок питания с ампер-вольтметром на базе компьютерного БП (0-30В, 11А max)

Источник: datagor.ru

В данной статье приводится несколько схемных решений и описываются алгоритмы позволяющие микропроцессору управлять внешней нагрузкой при помощи тиристорных ключей.

Иногда необходимо, что бы микропроцессорное устройство управляло мощными электроприборами, получающими питание от сети переменного напряжения 220В. Например, нагревательными элементами, моторами, соленоидами, лампами уличного освещения и т.д. Для решения подобной задачи необходимо создать мощную схему управления, преобразующие сигналы стандартных логических уровней в сигналы управления цепями высокой мощности. Вторая проблема, которую нужно решить при создании подобных схем: это гальваническая развязка цепей микроконтроллера и управляемых им цепей 220В. Без такой развязки эксплуатация подобного устройства станет слишком небезопасной. Решение проблемы зависит от того, каким способом необходимо управлять нагрузкой. Если требуется просто ее включать и выключать, то с задачей может справиться небольшой транзисторный ключ, управляющий обмоткой электромагнитного реле. Если же нужно не просто включать и выключать, а еще и регулировать мощность, то без тиристорного ключа тут не обойтись.
Ключевые схемы

Рассмотрим несколько вариантов возможных решений. Один из таких вариантов приведен на рисунке 1.
Управление тиристорами микроконтроллером
В схеме используется даже не тиристор, а мощный семистор TC106-10. Этот семистор позволяет коммутировать нагрузку до 10 ампер. Для справки: семистор отличается от тиристора тем, что он работает с обоими полупериодами переменного напряжения, то есть, в открытом состоянии он пропускает как положительную, так и отрицательную полуволны. Для гальванической развязки цепей микроконтроллера и силовых цепей нагрузки используется оптодинистор АОУ103Б. Для того, что бы не создавать лишней нагрузки на выход микроконтроллера для управления светодиодом фотодинистора используется ключ на транзисторе КТ361. Что бы отключить нагрузку от источника питания 220В микроконтроллер должен выставить на своем выходе (в данном случае на выходе PB4 сигнал логической единицы. При этом ключ VT1 закрывается, ток через светодиод фотодинистора не течет, и семистор тоже закрыт. Когда нужно включить нагрузку, микроконтроллер устанавливает на своем выходе логический ноль. Транзистор VT1 открывается, светодиод фотодинистора зажигается и освещает динистор. Динистор начинает открываться в каждом полупериоде напряжения. Через диодный мостик, обозначенный, как VD1 динистор подключен к управляющему электроду семистора VS1. Поэтому в каждом полупериоде семистор тоже открывается и на нагрузку поступает полное напряжение питания. Диодный мостик VD1 необходим потому, что динистр может работать лишь в одном направлении. Он открывается только тогда, когда на его верхнем по схеме выводе плюс а на нижнем минус. В обратном направление динистор не открывается. Если подключить динистор к семистору напрямую, то и семистор тоже сможет пропускать лишь одну из полуволн питающего напряжения. В качестве мостика VD1 можно применить любой маломощный мостик либо составить его из четырех диодов КД522Б. Светодиод HL1 служит просто для индикации включения нагрузки.
Управление тиристорами микроконтроллером
На рисунке 2 приведен второй вариант схемы управления тиристором. Эта схема отличается от предыдущей отсутствием диодного мостика. Вместо этого в схеме используются сразу два оптодинистора U1 и U2. Светодиоды обеих фотодинисторов включены последовательно и управляются от микроконтроллера через эмитерный повторитель на транзисторе VT1. Динисторы же включены встречно параллельно. При этом один из них работает при положительной полуволне, а второй при отрицательной. В остальном работа схемы аналогична предыдущему примеру. Отличие лишь в том, что для включения нагрузки микроконтроллер должен установить на своем выходе высокий логический уровень, а для выключения низкий. То есть, можно сказать, что схема на рис. 1 инвертирующая, а схема на рис. 2 неинвертирующая.

В заключении нужно сказать, что развитие элементной базы дает нам новые возможности в постороении схем управления мощной нагрузкой в сети 220В. Теперь разработчик имеет в своем распоряжении такой новый элемент, как мощный оптодинистор, который с успехом заменяет пару: тиристор-оптодинистор и позволяет построить более простые и надежные схемы. Подробнее об этом читайте в статье «Управление оптодинистором».
Плавная регулировка мощности

Если необходимо не просто включить или выключить нагрузку, а плавно регулировать ее мощность, то приведенные выше схемы так же подойдут для этого. Нужно только изменить алгоритм управления. Существует два метода плавной регулировки. Мы опишем их чуть ниже. Оба метода используют синхронизацию микроконтроллера с фазой колебаний переменного напряжения сети. Для синхронизации нам необходимо сформировать и подать на микроконтроллер сигнал, по которому он сможет определять начало и конец каждого полупериода. Схема блока питания, имеющего цепи формирующие подобный сигнал приведена в статье «Схема блока питания»
Сигналы «+» и «-» сформированные этими цепями необходимо подать на вход встроенного компаратора. В нашем случае это выводы 12 и 13 (AIN0, AIN1).

Метод фазового регулирования
Это стандартный способ управления тиристором. Состоит он в выборе момента открытия тиристора относительно начала фазы текущего полупериода питающего напряжения. Этот процесс иллюстрирует следующий рисунок:
Управление тиристорами микроконтроллером
Фазовый метод регулирования
На рисунке приведена форма сигнала на нагрузке при разных значениях времени задержки. Алгоритмм регулирования состоит в том, что сначала контроллер ожидает начала очередного полупериода. Обнаружив начало полупериода, контроллер запускает внутренний таймер. По окончании задержки, формируемой таймером контроллер выдает запускающий сигнал на выход, управляющий тиристорным регулятором. Тиристор открывается и напряжение поступает на нагрузку. Важно, что бы управляющее напряжение было снято с тиристора до окончания текущего полупериода. В этом случае, как только сетевое напряжение достигнет нуля, тиристор закроется а с началом следующего полупериода процесс отсчета времени повторится снова. В зависимости от выбранной длительности задержки отдаваемая в нагрузку мощность будет различной. Так при малом времени задержки (t1) мощность максимальна. При t2 в нагрузку отдается ровно половина возможной мощности, а при t3 мощность минимальна.

Метод исключения отдельных полупериодов
Главным недостатком предыдущего метода является большой уровень электромагнитных помех, излучаемых тиристорным ключем в процессе работы. Подобная схема будет сильно мешать рядом работающему телевизору или радиоприемнику, создавая помехи на экране и по звуку. Большой уровень помех обусловлен тем, что включение тиристора происходит в момент, когда мгновенное значение сетевого напряжения находится вблизи его амплитуды. Крутые фронты достаточно большого уровня напряжения и создают большое количество помех. Выходом является второй метод регулирования. Он состоит в том, что включение тиристора всегда происходит в самом начале полупериода, когда напряжение переходит через ноль и, если полупериод пропускается в нагрузку, то весь полностью. Регулировка же мощности производится путем исключения отдельных полупериодов. Этот процесс показан на следующем рисунке:
Управление тиристорами микроконтроллером
Метод исключения полупериода
На рисунке мы видим, что все полупериоды с первого по пятый тиристор беспрепятственно открывается. Затем, во время прохождения шестого полупериода сигнал управления с тиристора снимается и напряжение на выход не поступает. В начале седьмого полупериода сигнал управления опять включается. Для реализации подобного метода разрабатываются целые схемы исключения полупериодов. Например, берется последовательность из десяти полупериодов. Для того, что бы получить мощность в 50%, пять полупериодов пропускают в нагрузку, а остальные пять не пропускают. Затем все повторяется, каждые 10 полупериодов. Причем не обязательно исключать полупериоды подряд. Можно разбросать включенные полупериоды по всему этому отрезку. Для получения 10% мощности из 10 придется оставить только один полупериод. А для 70% нужно оставить 7 а исключить три. Ну и так далее…

Недостатком такого способа является то, что подобным образом затруднительно регулировать мощность свечения электрической лампы. Лампа будет заметно мерцать. Но для регулировки мощности нагревательного элемента этот способ является самым оптимальным.

Источник: cxema.my1.ru

Тиристором называется четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из последовательно чередующихся областей p- и «-типов проводимости. До 1979 г. тиристоры называли тринисторами. С появлением ГОСТ 20859.1-79, а затем ГОСТ 20859.1-98 классификация изменилась следующим образом:

•                 триодные тиристоры или, сокращённо, тиристоры;

•                 тиристоры-диоды (тиристоры с встроенным обратным диодом);

•                 лавинные, асимметричные, запираемые тиристоры;

•                 комбинированно-выключаемые тиристоры;

•                 симметричные триодные тиристоры или, по-другому, симисторы, триаки;

•                 фототиристоры, оптотиристоры, оптосимисторы.

Три вывода тиристора обозначают буквами: «А» (анод, Anode), «К» или «С» (катод, Cathode), «УЭ» или «G» (управляющий электрод или Gate — затвор).

Мощность нагрузки, подключаемой к аноду/катоду тиристора во много раз превышает мощность сигнала управления. Важной особенностью тиристора является то, что будучи однажды открыт, он находится в таком состоянии постоянно, вплоть до полного снятия питания. Следовательно, для управления тиристором можно использовать короткие импульсы.

В зависимости от слоя полупроводника, с которым внутри соединяется вывод УЭ, тиристоры бывают с управлением по катоду (Рис. 2.102, а, встречаются чаще) и с управлением по аноду (Рис. 2.102, б, встречаются реже).

Управление тиристорами микроконтроллером

Рис. 2.102. Условные графические обозначения тиристоров: а) с управлением по катоду; б) с управлением по аноду.

Среди множества электрических параметров тиристоров интерес, с точки зрения сопряжения с MK, представляют следующие:

•                 ток отпирания УЭ /уэ (десятки-сотни миллиампер);

•                 максимальное напряжение УЭ  уэ(единицы-десятки вольт);

•                 Длительность импульса включения Твкл(микросекунды).

Типовые параметры тиристоров семейства КУ221: /уэ = 0.15 А; б эмлх = 7 В; Гвкл MIN = 2 МК с (в реальных схемах устанавливают 50 МК с…Ю мс); частота повторения импульсов на входе УЭ должна быть не более 30 кГц. Остальные параметры относятся к силовой части. Они зависят от мощности/напряжения в нагрузке и должны выбираться отдельно, без привязки к схемотехнике MK.

Для обеспечения долговременной надёжности работы тиристоров следует придерживаться свода простых правил:

•                 импульс УЭ должен иметь запас по току относительно минимально допустимого, иначе может произойти локальный пробой стуктуры слабым током помехи и выход тиристора из строя [2-187];

•                 рабочие напряжения и токи в силовой части надо выбирать с коэффициентом запаса 0.7…0.8 от максимально допустимых по даташиту;

•                 электрические параметры входа УЭ имеют значительный технологический разброс, поэтому расчёты элементов надо вести на худший случай. Тем не менее, некоторые экземпляры тиристоров могут включаться и при пониженных (по сравнению с даташитом) токах, напряжениях, чем часто пользуются радиолюбители в своих конструкциях;

•                 для повышения помехоустойчивости между катодом и УЭ рекомендуется ставить резистор сопротивлением 51… 1000 Ом. Другое решение — обеспечить низкий выходной импеданс генератора управляющих импульсов;

•                 следует создавать комфортный температурный режим для тиристора с применением радиаторов и теплопроводящих паст, например, КТП-8.

При коммутации нагрузки в цепи 220 В управляющие импульсы желательно синхронизировать с моментами перехода сетевого напряжения через нуль. Такой приём резко снижает уровень ВЧ-помех, «засоряющих» эфир. Для плавного изменения напряжения в нагрузке применяют фаз число-импульсное управление, при этом не имеет значение, как подключаются тиристоры к MK: без развязки от сети 220 В (Рис. 2.103, а…ж) или с гальванической изоляцией (Рис. 2.104, а…н).

Управление тиристорами микроконтроллером

а) импульсами с выхода MK периодически открывается транзистор K77, а через него и тиристор VS1. От частоты следования импульсов будет изменяться среднее напряжение в нагрузке RH. Необязательный конденсатор C7 уменьшает ВЧ-помехи в момент коммутации;

б) аналогично Рис. 2.103, а, но максимально упрощённо. Тем не менее, реально работает;

в) тиристор VS1 питается постоянным, а не пульсирующим напряжением, поэтому включается он положительным импульсом с выхода MK, а выключается полным снятием напряжения питания +9…+ 18 В;

г) аналогично Рис. 2.103, в, но без транзистора и с выключением тиристора VS1 нажатием кнопки SB1. Резистором R1 устанавливается ток управления не более 15 мА. Падение напряжения на тиристоре в открытом состоянии составляет 0.6…1.5 В. Контакты кнопки SB1 должны выдерживать максимальный ток, на который рассчитана нагрузка RH

д) микросхема DD1 имеет выход с открытым коллектором и служит ключом, открывающим тиристор VS1. Резистором R1 задаётся ток управления, но его может не хватить для конкретного тиристора из-за низкого напряжения питания +5 В (проверяется экспериментально);

Управление тиристорами микроконтроллером

 Рис. 2.103. Схемы подключения тиристоров к МК  без гальванической изоляции (окончание):

е) классическое включение шунтирующего резистора R3 между входом УЭ и катодом тиристора VSI. Напряжение питания +5 В для MK может быть получено от +9 В через стабилизатор;

ж) на вход УЭ тиристора VS1 через резистор R3 подаётся повышенное до+12 В напряжение, чтобы обеспечить гарантированное отпирание. В некоторых случаях, подбирая тип тиристора VS1, можно добиться его включения при пониженном напряжении +5 В. Необязательный конденсатор С/ несколько замедляет скорость нарастания управляющего тока (при этом увеличиваются потери мощности), но он защищает тиристор VS1 от ложных срабатываний.

Управление тиристорами микроконтроллером

Рис. 2.104. Схемы гальванической изоляции MK от тиристоров (начало):

а) гальваническая развязка через оптопару VU1. Тиристор VS1 подаёт напряжение в нагрузку Rн только во время одного полупериода сетевого напряжения 220 В. В другой полупериод нагрузка обесточена, поскольку закрыт диод VD2. Стабилитрон VD1 задаёт оптимальное напряжение на входе УЭ тиристора VS1. Резистор R2ограничивает ток управления;

б) аналогично Рис. 2.104, а, но с другой полярностью импульсов от MK, с дополнительным резистором R2, с конденсатором фильтра C1 и с другим стабилитроном VD1

Управление тиристорами микроконтроллером

в) на обоих выходах МК  должны синхронно выставляться НИЗКИЕ и ВЫСОКИЕ уровни. Резисторы R1, &2 — токоограничивающие. Резистор R4 повышает помехоустойчивость;

г) гальваническая развязка на трансформаторе T1. Каждый из тиристоров VS1, VS2 открывается в свою полуволну сетевого напряжения импульсами с выхода МК  длительностью 10 МК с и периодом 0.7…1 мс. Для питания транзистора VT1 применяется отдельный источник +5 B(2), чтобы помехи не нарушали работу MK. Трансформатор T1 наматывается на кольце из феррита 79HM K25xl5x5, в обмотке I — 40 витков, в обмотках II, III — по 80 витков провода ПЭВ-0.25;

д) MK формирует импульсы частотой 100 Гц и длительностью 12 МК с, которые постепенно за 3 с смещаются с конца полупериода сетевой синусоиды к ее началу. Как следствие, оптосимтор VU1 «малыми шажками» переходит в полностью открытое состояние, организуя плавный заряд ёмкости высоковольтного конденсатора C3. Дроссель L1 наматывается на кольце из феррита M2000HM1 K31xl8.5×7 и содержит две обмотки по 25 витков провода ПЭВ-1.0 в каждой;

е) коммутация нагрузки RH при помощи тиристора VS1 и изолированного оптореле VU1

Управление тиристорами микроконтроллером

ж) гальваническая развязка MK выполнена на оптопаре VU1. Трансформатор T1 служит не для изоляции (нагрузка RH и так связана с сетью 220 В), а для отпирания тиристора VS1 повышенным напряжением +9…+12 В при токе до 0.15 А. Экономически такое решение оправдано при многоканальной системе с большим числом тиристоров и одним трансформатором;

з) VU1 — сдвоенный опто тиристорный модуль фирмы «Элемент-Преобразователь». Линии МК  запараллелены для повышения мощности. Замена VU1 — два оптотиристора ТО 125-10-6;

и) гальваническая развязка на оптосимисторе VU1. Тиристоры VS1, К£2соединены противонаправленно. Каждый из них открывается в «свой» полупериод сетевого напряжения;

к) тиристор оптопары VU1 замыкает диагональ диодного моста VD1, чтобы коммутировать нагрузку RH в оба полупериода сетевого напряжения. Ток через нагрузку не более 100 мА;

л) аналогично Рис. 2.104, к, но с другой полярностью импульсов и другими типами ЭРИ;

Управление тиристорами микроконтроллером

 Рис. 2.104. Схемы гальванической изоляции МК от тиристоров (окончание):

м) стробоскоп с опторазвязкой. Тиристор VS1 через повышающий трансформатор T1 [2-196] периодически поджигаетлампу EL1. Светодиод HL1 индицирует вспышки стробоскопа;

н) маркировка на корпусе оптотиристоров VU1, Г772содержит буквы и символы вместо привычных арабских цифр. Мощность в нагрузке RH не более 100 Вт.

Источник: Рюмик, С. М., 1000 и одна микроконтроллерная схема. Вып. 2 / С. М. Рюмик. — М.:ЛР Додэка-ХХ1, 2011. — 400 с.: ил. + CD. — (Серия «Программируемые системы»).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.