Тиристоры и симисторы - это полупроводниковые управляемые ключи, которые используются в электронных устройствах для регулирования переменного напряжения. Для управления тиристорами и симисторами нужно подавать импульсы управляющего напряжения на их управляющие электроды. Существуют различные способы и схемы управления тиристорами и симисторами, в зависимости от их типа, назначения и параметров цепи.
Начнем с простейших схем. В простейшем случае, для управления тиристором достаточно кратковременно подать постоянный ток определенной величины на его управляющий электрод. Схематически механизм подачи этого тока можно показать, изобразив ключ, который замыкается и подает питание, подобно выходному каскаду микросхемы или транзистору.
Это простой с виду способ, однако мощность управляющего сигнала требуется здесь немалая. Так, в нормальных условиях для симистора КУ208 этот ток должен составлять минимум 160 мА, а для тринистора КУ201 — быть не менее 70 мА. Таким образом, для напряжения 12 вольт и при среднем токе, скажем, в 115 мА, мощность управления уже составит 1,4 Вт.
Требования к полярности управляющего сигнала таковы: тринистору требуется положительное относительно катода управляющее напряжение, а симистору (симметричному тиристору) — такое же по полярности, как в текущий момент на аноде, либо отрицательное для каждого из полупериодов.
Управляющий электрод симистора не шунтируют, тринистора — шунтируют резистором на 51 Ом. Современные тиристоры требуют все меньше управляющего тока, и очень часто можно встретить схемы, где ток управления тринисторами снижен до примерно 24 мА, а у симисторов — до 50 мА.
Может случиться так, что оголтелое снижение тока в цепи управления скажется на надежности работы прибора, поэтому тиристоры разработчикам порой приходится подбирать индивидуально для каждой схемы. В противном случае, для открытия тиристора малым током, напряжение на его аноде должно будет быть в этот момент велико, что приведет к вредному броску тока и к помехам.
Недостаток управления по описанной выше простейшей схеме — налицо: присутствует постоянная гальваническая связь цепи управления с силовой цепью. Симисторы в некоторых схемах допускают присоединение одного из выводов цепи управления — к нулевому проводу. Тринисторы же допускают такое решение лишь с добавлением к цепи нагрузки диодного моста.
В итоге мощность, подаваемая на нагрузку, снижается двукратно, поскольку напряжение к нагрузке подается лишь в один из периодов сетевой синусоиды. На практике имеем то, что схемы с управлением тиристорами постоянным током без гальванической развязки узлов почти не используются, за исключением случаев, где управление по какой-то веской причине необходимо реализовать именно так.
Распространенное решение для управления тиристором — когда на управляющий электрод напряжение подается прямо с анода через резистор путем замыкания ключа на несколько микросекунд. Ключом здесь может выступать высоковольтный биполярный транзистор, маленькое реле или фотосимистор.
Такой подход приемлем при относительно высоком напряжении на аноде, он удобен и прост, даже если нагрузка содержит реактивную составляющую. Но есть и недостаток: неоднозначные требования к токоограничительному резистору, который должен быть по номиналу небольшим, чтобы включение тиристора происходило ближе к началу полупериода синусоиды, однако при первом включении не при нулевом напряжении сети (в отсутствие синхронизации), на него может прийти и 310 вольт, а ведь ток через ключ и через управляющий электрод тиристора не должен превысить максимально допустимых для них величин.
Сам тиристор откроется ни напряжении Uоткр = Iоткр*Rогр. В итоге возникнут помехи, а напряжение на нагрузке немного уменьшится. Расчетное сопротивление резистора Rогр уменьшают на величину сопротивления цепи нагрузки (включая индуктивную ее составляющую), которая оказывается соединена последовательно с резистором в момент включения.
Но в случае с нагревательными приборами в расчет принимают тот факт, что в холодном состоянии их сопротивление десятикратно меньше чем в рабочем разогретом. Кстати, в силу того, что у симисторов ток включения по положительной и отрицательной полуволнам может чуть-чуть отличаться, на нагрузке может появиться небольшая постоянная составляющая.
Время включения тринисторов обычно составляет не более 10 мкс, поэтому для экономичного управления мощностью нагрузки можно подавать последовательность импульсов со скважностью 5, 10 или 20 для частот 20, 10 и 5 кГц соответственно. Мощность будет уменьшаться от 5 до 20 раз.
Недостаток таков: тиристор может включиться и не в начале полупериода. Это чревато бросками тока и помехами. И еще, даже если включение происходит точно перед началом нарастания напряжения от нуля, в этот момент ток управляющего электрода может не достичь еще величины удержания, тогда тиристор выключится сразу по окончании импульса.
В итоге, тиристор будет сначала включаться и выключаться на короткие интервалы, пока наконец ток не примет синусоидальную форму. Для нагрузок с индуктивной составляющей ток может не достичь величины удержания, что накладывает ограничение снизу на длительность управляющих импульсов, и затраты мощности особо не снизятся.
Развязку управляющей схемы от сети обеспечивает так называемый импульсный запуск, который можно легко сделать прибегнув к установке маленького развязывающего трансформатора на ферритовом колечке диаметром менее 2 см. Важно, что напряжение изоляции такого трансформатора должно быть высоким, а не просто как в любом импульсном трансформаторе промышленного производства.
Чтобы действительно существенно понизить требуемую на управление мощность, придется прибегнуть к более точному управлению. Ток управляющего электрода необходимо выключать именно в момент включения тиристора. Когда ключ замыкается, тиристор включается, а когда тиристор начал проводить ток, микросхема прекращает подачу тока через управляющий электрод.
Такой подход действительно экономит энергию на управление тиристором. Если в момент замыкания ключа напряжение на аноде еще не достаточное, тиристор не будет открыт микросхемой (напряжение должно стать немного больше половины напряжения питания микросхемы). Напряжение включения регулируется подбором резисторов делителя.
Для управления подобным образом симистором, необходимо отслеживать и полярность, поэтому в схему добавляется блок из пары транзисторов и трех резисторов, фиксирующий момент прохождения напряжения через ноль. Более сложные схемы находятся за рамками данной статьи.
Андрей Повный