Коммутация сетевого напряжения с помощью симисторов

  В радиолюбительской практике довольно часто приходится сталкиваться с проблемой коммутации сетевого переменного напряжения. Ранее для включения и выключения сетевой нагрузки использовались электромагнитные реле, но как показало время - это не самый надежный способ: контакты реле очень подвержены износу, особенно при использовании в цепях переменного тока и особенно с индуктивной нагрузкой. Тем более, для включения мощных потребителей нужны крупногабаритные реле с существенным управляющим током в обмотке.
  К счастью, современная элементная база позволяет обойтись только полупроводниковыми приборами, не используя электро-механических. Итак, разнообразные сетевые нагрузки очень удобно коммутировать с помощью симисторов. Эти полупроводниковые приборы позволяют под действием управляющих мощностей порядка 40-50 мВт коммутировать сетевую нагрузку до десятков киловатт (в зависимости от типа прибора). Далее рассмотрим наиболее удобные схемотехнические решения управления симисторами. Общие принципы управления симистором примерно такие же, как и для обычных тиристоров: если через управляющий электрод в катод тиристора протекает постоянный ток величиной единицы-десятки миллиампер, то как только между анодом и катодом тиристора возникнет разность потенциалов около 1.2-1.5В, он открывается и пребывает в открытом состоянии до тех пор, пока ток через него не уменьшиться практически до нуля (точнее до тока удержания).
  Симистор открыть чуть сложнее, так как полярность управляющего напряжения относительно "катода" (не соединенного с корпусом вывода) должна быть такой же, как и полярность напряжения на аноде (корпусе) прибора. Следовательно, если симистор используется для коммутации переменного сетевого напряжения, то управляющее устройство должно уметь выдавать переменное управляющее напряжение, что при использовании управляющих устройств на логических ИМС довольно проблематично. Один из вариантов решения этой проблемы - использование оптрона. Ток через светодиод оптрона может быть все время одного и того же направления, а направление тока через фоторезистор будет меняться при каждом полупериоде сетевого напряжения, обеспечивая открывание симистора. Если же оптрон диодный или транзисторный, то их надо использовать два для управления одним симистором.

Рисунок 1. Управление симистором с помощью оптрона.

 

  Не могу не упомянуть также о оптотиристорах. В одном корпусе находится тиристор и светодиод. Но, к сожалению, оптросимисторов почему-то не делают, а ведь это фактически "буржуйское" твердотельное реле - идеальный прибор для коммутации сетевого напряжения. Итак, используя оптотиристоры тоже довольно легко можно коммутировать сетевое напряжение (Рис.2)

Рисунок 2. Коммутация сетевого напряжения с использованием оптотиристоров.

 

 

  Симистором можно управлять и импульсами: управляющее напряжение присутствует на управляющем электроде только 5-50 мкс, в момент начала роста сетевого напряжения после прохождения через 0. Более того, изменяя временнОе положение управляющего импульса в пределах 0-10 мс относительно начала каждого полупериода можно регулировать мощность, отдаваемую в нагрузку в пределах от 100 до 0 процентов. Импульсное управление позволяет также сделать устройство управления более экономичным, а применение при этом еще и импульсных трансформаторов позволит гальванически развязать сеть и устройство управления. Применение трансформаторов имеет еще одно преимущество: за счет бросков самоиндукции под действием однополярного импульса формируется короткий пакет быстро затухающих разнополярных, естественно, колебаний, легко открывающих любой симистор. Если конструируемое устройство не предназначено для регулирования мощности, а должно только включать/выключать сетевую нагрузку, то управляющие импульсы можно и не синхронизировать с прохождением сетевого напряжения через 0.
  Достаточно только подавать их на управляющий электрод симистора с достаточно высокой частотой, чтобы при самых неблагоприятных условиях напряжение на закрытом симисторе не успевало вырасти более чем до нескольких вольт до прихода управляющего импульса. При таком способе управления, как ни странно, уровень помех наводимых в сеть, значительно меньше, чем при синхронизированном управлении. Практическая схема ключа сетевого напряжения, где использован описанный выше принцип подана на рисунке 3.

Рисунок 3. Принципиальная схема симисторного выключателя с импульсным управлением.

 

  Трансформатор T1 выполняется на ферритовом кольце 1000-2000 НМ размером К10Х6Х4 и содержит две одинаковые обмотки примерно по 50 витков каждая. Провод для намотки в эмалевой изоляции диаметром 0.1-0.2 мм. Взаимная изоляция обмоток очень тщательная! Фазировка обмоток безразлична, так как благодаря диоду VD2 на вторичной обмотке наводятся разнополярные импульсы. Подбирая резистор R2 регулируют длительность управляющего импульса. Чем она меньше, тем меньше ток потребления управляющего устройства, но при очень коротком импульсе не все тиристоры успевают открываться, потому, если нужна повышенная экономичность, R2 придется подбирать на границе четкого открывания симистора. Можно добиться снижения потребляемого системой управления тока менее 10 мА, что очень удобно в случае применения источников питания с емкостным балластом.
  Используя показанную на рис.3 схему управления сетевую нагрузку можно включать и с помощью пары обычных тиристоров, надо только трансформатор дополнить еще одной такой же обмоткой, а симистор заменить тиристорами, как на рисунке 4. Можно также применить один тиристор, но включить его в диагональ диодного моста соответствующей мощности.

Рисунок 4. Замена симистора.

 

  Сейчас для радиолюбителей стали доступны многие электронные компоненты зарубежного производства. Есть среди них и симисторы, прекрасно подходящие для включения/выключения сетевых нагрузок. Наиболее доступными и распространенными на сегодня являются симистор (triacs) производства Philips типов BT134-500 и BT136-500. Эти приборы выполнены в пластмассовых корпусах: BT134 - как у транзисторов КТ815, но без отверстия, а BT136 - как у транзисторов КТ805, с крепежным фланцем. По сведениям продавцов BT134 рассчитан на ток 6А, а BT136 - 12А, но на многих сайтах можно увидеть, что оба симистор рассчитаны на силу тока не более 4А и выдерживают напряжение 500 В в закрытом состоянии. К сожалению, автор не смог просмотреть документацию с сайта Philips, так как там все документы PDF, а просмотрщика для последних версий под ДОС нету. Отличительной особенностью названных симисторов являются не столько их малые размеры (такие же корпуса имеют отечественные ТС106-10-... в пластмассе), сколько способ управления ими: эти симистор открываются управляющим напряжением отрицательной по отношению к "катоду" полярности при любом направлении тока через симистор. А это позволяет отказаться от применения оптронов и согласующих импульсных трансформаторов.
  Практическая схема выключателя вместе с конденсаторным блоком питания показана на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема выключателя с использованием импортных симисторов.

 

Ток потребления устройства управления в "выключенном" состоянии - 1.2 мА, а во "включенном" - 5 мА, что позволило применить в блоке питания совсем маленький конденсатор 0.2 мкФ 400 В. Устройство (рис.5) - это фактически основа для многих электронных устройств, ведь на трех свободных логических элементах DD1 можно собрать много интересных вещей. На рисунке 6(a) показана схема мигалки, 6(b) - фотореле, 6(с) - автомата для включения/выключения насоса при касании сенсора E1 поверхности воды, 6(d) - реле времени. Довольно несложно реализовать сенсорный выключатель (рис.7).

Рисунок 6. Конструкции на логических элементах ИМС К561ТЛ1.	Рисунок 7. Принципиальная схема сенсорного выключателя.

  Правда, при построении на логических элементах генераторов, при использовании световой индикации потребляемый ток может возрасти, и тогда емкость С1 придется увеличивать. Необходимую емкость подобрать довольно просто: во всех рабочих режимах устройства измеряют ток через стабилитрон, он должен быть не менее 1-2 мА и не более 30 мА. Наиболее часто емкость С1 используется 0.47 или 0.68 мкФ*400В. Мощность нагрузки, коммутируемой устройствами, рассмотренными в этой статье, зависит только от типа симистора (тиристоров) и толщины проводов :-) см. таблицу 1.

  В таблице также даны ориентировочные размеры теплоотводов. Вообще, учитывая падение напряжения на открытом симисторе, которое равно примерно 1 В, можно полагать, что мощность, рассеиваемая на симисторе численно равна току, проходящему через него. Для рассеивания такой мощности нужен теплоотвод такой же площади, как квадратная пластина, со стороной, численно равной в сантиметрах рассеиваемой мощности. В статье не приводятся данные и схемы касающиеся использования симисторов КУ208Г. Это не случайно, так как эти симисторы показали себя с наихудшей стороны и надежно не работали ни в одном устройстве. Многие образцы КУ208Г разных лет выпусков имели недопустимо большой ток в закрытом состоянии, и после длительного пребывания под напряжением именно в закрытом состоянии сильно разогревались и после наступал пробой. Может их как-то по особому включать надо? Считаю своим долгом также напомнить радиолюбителям о электробезопасности, так как многие из приведенных схем имеют гальваническую связь с сетью! Не испытывайте судьбу и отключайте от сети устройства, прежде чем лезть в них с паяльником.

Литература :

1. Замятин В. Тиристоры // В помощь радиолюбителю: Сборник. Вып. 110 с. 49
2. http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/datasheets/BT134_SERIES_1.pdf