Тиристор в колі змінного струму. Фазовий метод.
style = "display: inline-block; width: 728px; height: 90px"
data-ad-client = "ca-pub-5076466341839286"
data-ad-slot = "7451033986">
♦ Відомо, що електричний струм у побутовій і промисловій мережі змінюється за синусоїдальним законом. Форма змінного електричного струму частотою 50 герц. представлена на рис 1 а).
За один період, цикл, напруга змінює своє значення: 0 → (+ Umax) → 0 → (-Umax) → 0.
Якщо уявити собі найпростіший генератор змінного струму (рис 1 б) з однією парою полюсів, де отримання синусоїдального змінного струму визначає поворот рамки ротора за один оборот, то кожне положення ротора в певний час періоду відповідає певній величині вихідної напруги.
Або, кожному значенню величини синусоїдальної напруги за період, відповідає певний кут α повороту рамки. Фазовий кут α. це кут, що визначає значення періодично змінюється величини в даний момент часу.
У момент фазового кута:
♦ Регулювання напруги за допомогою тиристора в ланцюгах змінного струму якраз і використовує ці особливості синусоїдального змінного струму.
Як згадувалося раніше в статті «Що таке динистор і тиристор? ». тиристор, це напівпровідниковий прилад, що працює за законом керованого електричного вентиля. Він має два стійких стани. У певних умовах може мати провідний стан (відкритий) і непроводящее стан (закритий).
♦ Тиристор має катод, анод і керуючий електрод. За допомогою керуючого електрода можна змінювати електричне стан тиристора, тобто змінювати електричні параметри вентиля.
Тиристор може пропускати електричний струм тільки в одному напрямку - від анода до катода (симистор пропускає струм в обох напрямках).
Тому, для роботи тиристора, змінний струм необхідно перетворити (випрямити за допомогою діодного містка) в пульсує напруга позитивної полярності з переходом напруги через нуль, як на Рис 2.
♦ Спосіб управління тиристором зводиться до того, щоб в момент часу t (під час дії полупериода Uс) через перехід Уе - К. пройшов струм включення Iвкл тиристора.
З цього моменту через тиристор йде основний струм катод - анод, до наступного переходу полупериода через нуль, коли тиристор закриється.
Струм включення Iвкл тиристора можна отримати різними способами.
1. За рахунок струму що протікає через: + U - R1 - R2 - Уе - K - -U (на схемі рис 3).
2. Від окремого вузла формування керуючих імпульсів і подачі їх між керуючим електродом і катодом.
♦ У першому випадку струм керуючого електрода протікає через перехід Уе - К, поступово збільшується (наростаючи разом з напругою Uс), поки не досягне величини Iвкл. Тиристор відкриється.
Такий спосіб управління тиристором називається фазовим методом.
♦ У другому випадку сформований в спеціальному пристрої, короткий імпульс в потрібний момент часу подається на перехід Уе - К. від якого тиристор відкривається.
Такий спосіб управління тиристором називається імпульсно - фазовим методом.
В обох випадках струм, керуючий включенням тиристора, повинен бути синхронізований з початком переходу мережевої напруги Uс через нуль.
Дія керуючого електрода зводиться до управління моментом включення тиристора.
Фазовий метод управління тиристором.
♦ Спробуємо на простому прикладі тиристорного регулятора освітлення (схема на рис.3) розібрати особливості роботи тиристора в колі змінного струму.
Після випрямного містка напруга являє собою пульсує напруга, що змінюється у вигляді:
0 → (+ Umax) → 0 → (+ Umax) → 0, як на рис.2
♦ Початок управління тиристором зводиться до наступного.
При зростанні напруги мережі Uс. від моменту переходу напруги через нуль, в ланцюзі керуючого електрода з'являється струм управління Iуп по ланцюгу:
+U - R1 - R2 - Уе - К - -U.
З ростом напруги Uс зростає і струм управління Iуп (керуючий електрод - катод).
При досягненні струму керуючого електрода величини Iвкл. тиристор включається (відкривається) і замикає точки + U і -U на схемі.
Падіння напруги на відкритому тиристорі (анод - катод) становить 1,5 - 2,0 вольта. Струм керуючого електрода впаде майже до нуля, а тиристор залишиться в провідному стані до моменту, коли напруга Uс мережі не впаде до нуля.
З дією нового полупериода напруги мережі, все повториться спочатку.
♦ У ланцюзі протікає тільки струм навантаження, тобто струм через лампочку Л1 по ланцюгу:
Uс - запобіжник - діодний міст - анод - катод тиристора - діодний міст - лампочка Л1 - uс.
Лампочка буде загорятися з кожним напівперіодом напруга в електромережі та гаснути при переході напруги через нуль.
Проведемо невеликі обчислення для прикладу рис.3. Використовуємо дані елементів як на схемі.
За довідником для тиристора КУ202Н ток включення Iвкл = 100 мА. В реальності ж він набагато менше і становить 10 - 20 мА, в залежності від екземпляра.
Візьмемо для прикладу Iвкл = 10 мА.
Управління моментом включення (регулювання яскравості) відбувається шляхом зміни величини змінного опору резистора R1. Для різних значень резистора R1. будуть різні напруги пробою тиристора. При цьому момент включення тиристора буде змінюватися в межах:
1. R1 = 0, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (0 + 2 = 20 вольт.
2. R1 = 14,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (13 + 2) = 150 вольт.
3. R1 = 19,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (18 + 2) = 200 вольт.
4. R1 = 29,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (28 + 2) = 300 вольт.
5. R1 = 30,0 Ком, R2 = 2,0 Ком. Uвкл = Iвкл х (R1 + R2) = 10 х (308 + 2) = 310 вольт.
Фазовий кут α змінюється в межах від а = 10, до а = 90 градусів.
Приблизний результат цих обчислень наведено на рис. 4.
♦ Заштрихованная частина синусоїди відповідає виділяється потужності на навантаженні.
Регулювання потужності фазовим методом, можлива тільки у вузькому діапазоні кута управління від a = 10 °, до а = 90 °.
Тобто, в межах від 90% до 50% потужності, що виділяється на навантаженні.
Початок регулювання від фазового кута а = 10 градусів пояснюється тим, що в момент часу t = 0 - t = 1. струм в ланцюзі керуючого електрода ще не досяг значення Iвкл (Uс не досягло величини 20 вольт).
Всі ці умови здійсненні в разі, якщо в схемі немає конденсатора С.
Якщо поставити конденсатор С (в схемі рис 2), діапазон регулювання напруги (фазового кута) зміститься вправо як на рис.5.
Це пояснюється тим, що в перший час (t = 0 - t = 1), весь струм йде на зарядку конденсатора С. напруга між Уе і К тиристора дорівнює нулю і він не може включиться.
Як тільки конденсатор зарядиться, ток піде через керуючий електрод - катод, тиристор включиться.
Кут регулювання залежить від ємності конденсатора і зсувається приблизно від а = 30 до а = 120 градусів (при ємкості конденсатора 50 мкФ).
Потужність навантаження буде змінюватися приблизно від 80% до 30%.
Зрозуміло, всі наведені розрахунки досить приблизні, але загальні міркування вірні.
Всі вище наведені епюри напружень, в різні часові значення, добре проглядалися на екрані осцилографа.
У кого є осцилограф, можна подивитися самому
style = "display: inline-block; width: 728px; height: 90px"
data-ad-client = "ca-pub-5076466341839286"
data-ad-slot = "7451033986">