Среднюю мощность нагрузки в цепях синусоидального переменного тока можно регулировать посредством тиристоров.
Данный способ управления потребляемой мощностью реализуется особенно легко, если нагрузка носит чисто активный характер. Тем не менее с некоторыми доработками цепей потребителя, посредством тиристоров можно управлять и нагрузками имеющими реактивную составляющую.
Такой подход к регулированию в целом именуются фазовым регулированием напряжения, и применяется обычно к таким потребителям, которые изначально способны питаться напрямую от сети, но не требуют при этом идеально гармонической формы напряжения.
Тиристор имеет три электрода: анод, катод и управляющий электрод, называемый затвором. Тиристор может находиться в двух основных состояниях: заблокированном и включенном.
В заблокированном состоянии тиристор не пропускает ток между анодом и катодом, так как между двумя внутренними слоями p-n образуется переход с обратным смещением. В этом состоянии тиристор может выдерживать высокое напряжение на аноде без повреждения.
Во включенном состоянии тиристор пропускает большой ток между анодом и катодом, так как все четыре слоя становятся проводящими. В этом состоянии тиристор имеет низкое сопротивление и рассеивает мало мощности.
Для переключения тиристора из заблокированного состояния во включенное необходимо подать импульс тока на затвор. Это приводит к созданию дополнительных носителей заряда во внутренних слоях и уменьшению сопротивления перехода.
Когда напряжение на аноде достигает определенного порога, тиристор начинает проводить ток и остается в этом состоянии даже после прекращения импульса на затворе.
Для переключения тиристора из включенного состояния в заблокированное необходимо уменьшить ток через него ниже определенного уровня, называемого током удержания. Это приводит к уменьшению количества носителей заряда во внутренних слоях и увеличению сопротивления перехода.
Когда напряжение на аноде становится отрицательным или достаточно малым, тиристор переходит в заблокированное состояние и готов к следующему циклу переключения.
Принцип регулирования мощности в нагрузке на переменном токе посредством тиристоров заключается в изменении угла открытия тиристора как электронного ключа.
Так, когда тиристор открывается и проводит ток не на протяжении всей полуволны синусоиды, а только начиная с определенной ее фазы, к нагрузке подаются неполные синусоиды, а их кусочки с отрезанной начальной частью полупериода.
Это достигается тем, что тиристор либо работает как самостоятельный однополупериодный выпрямитель, либо два тиристора включаются в схему выпрямителя (тогда это - так называемый управляемый выпрямитель).
Результат работы схемы — снижение действующего значения напряжения, подаваемого на нагрузку, которая подключена после такого выпрямителя.
Подобные схемы часто можно встретить в блоках плавного пуска двигателей постоянного тока, на платах управления током зарядки аккумуляторов, в устройствах регулирования яркости ламп накаливания и т. п.
Достоинство данного подхода заключается прежде всего в дешевизне и простоте сборки схем с тиристорами, а также в простоте схем управления фазовым регулированием напряжения, если речь идет о сетевом переменном токе.
Недостатком, конечно, является искаженная форма получаемого напряжения, высокий коэффициент пульсаций тока на выходе и снижение коэффициента мощности потребителя.
Суть недостатка связанного с искажением формы напряжения и тока заключается в том, что при резком отпирании тиристора резко возрастает ток через нагрузку, при этом скачком увеличивается падение напряжения на сопротивлениях как в цепи питания, так и в цепях нагрузки.
Форма напряжения питания становится вовсе не синусоидальной. Приходится строить дополнительные фильтры, если речь идет, скажем, об управлении мощностью асинхронного двигателя, для которого всегда желателен чистый синус.
Тиристор устроен так, что начинает проводить ток подобно диоду начиная ровно с того момента, когда на его управляющий электрод подан импульс отпирающего напряжения.
В этот момент тиристор переходит из запертого состояния в проводящее, и проводит ток от анода к катоду даже если действие управляющего импульса уже закончилось, но ток от анода к катоду продолжает течь.
Как только в цепи ток прекращается, тиристор запирается и ждет очередного импульса на свой управляющий электрод пока со стороны анода приложено напряжение.
Так и формируются периоды открытого состояния тиристора, так и получаются резаные кусочки синусоиды тока в цепи потребителя.
По этой причине тиристорное регулирование находит широкое применение в бытовых электроприборах, где работают ТЭНы, двигатели постоянного тока, нити накаливания, - такие приборы, которые не особо чувствительны к пульсациям, возникающим на сетевой частоте.
Для регулировки температуры электрического теплого пола, интенсивности свечения ламп накаливания, температуры масляных обогревателей, паяльников и т. п. - маленькие, компактные и недорогие тиристорные диммеры подходят идеально.
Смотрите также: Принципы управления тиристорами и симисторами