|
Известно, что электрический ток в
бытовой и промышленной сети изменяется по
синусоидальному закону. Форма переменного электрического
тока частотой 50 герц, представлена на рис 1 а).
За один период, цикл, напряжение меняет свое значение: 0
> (+Umax) > 0 > (-Umax) > 0.
Если представить себе простейший генератор переменного
тока (рис 1 б) с одной парой полюсов, где получение
синусоидального переменного тока определяет поворот
рамки ротора за один оборот, то каждое положение ротора
в определенное время периода соответствует определенной
величине выходного напряжения. Или, каждому значению
величины синусоидального напряжения за период,
соответствует определенный угол ? поворота рамки.
Фазовый угол ?, это угол, определяющий значение
периодически изменяющейся величины в данный момент
времени. В момент фазового угла: ? = 0? величина
напряжения U = 0; ? = 90? напряжение - U = +Umax; ?
=180?- напряжение U = 0; ? = 270? – напряжение U = -Umax;
? = 360?– напряжение U = 0.
Регулировка напряжения с помощью тиристора в цепях
переменного тока как раз и использует эти особенности
синусоидального переменного тока.
Как упоминалось ранее в статье…. Тиристор, это
полупроводниковый прибор, работающий по закону
управляемого электрического вентиля. Он имеет два
устойчивых состояния. В определенных условиях может
иметь проводящее состояние (открыт) и непроводящее
состояние (закрыт).
Тиристор имеет катод, анод и управляющий электрод. С
помощью управляющего электрода можно изменять
электрическое состояние тиристора, то есть изменять
электрические параметры вентиля.
Тиристор может пропускать электрический ток только в
одном направлении - от анода к катоду (симистор
пропускает ток в обоих направлениях).
Поэтому, для работы тиристора, переменный ток необходимо
преобразовать (выпрямить с помощью диодного мостика) в
пульсирующее напряжение положительной полярности с
переходом напряжения через ноль, как на Рис 2.
Способ управления тиристором сводится к тому, чтобы в
момент времени t (во время действия полупериода Uс)
через переход Уэ – К, прошел ток включения Iвкл
тиристора.
С этого момента через тиристор идет основной ток К – А,
до следующего перехода полупериода через ноль, когда
тиристор закроется.
Ток включения Iвкл тиристора можно получить разными
способами.
1. За счет тока протекающего через: +U – R1 – R2 – Уэ –
K – -U (на схеме рис 3).
2. От отдельного узла формирования управляющих импульсов
и подаче их между Уэ и катодом.
В первом случае ток управляющего электрода Уэ протекает
через переход Уэ – К,
постепенно увеличивается (нарастая вместе с напряжением
Uс), пока не достигнет величины Iвкл. Тиристор
откроется. Такой способ называется фазовым
методом.
Во втором случае сформированный в специальном
устройстве, короткий импульс в
нужный момент подается на переход Уэ – К, от которого
тиристор открывается.
Такой способ называется импульсно – фазовым методом.
В обоих случаях ток, управляющий включением тиристора,
должен быть синхронизирован с началом перехода сетевого
напряжения Uс через ноль.
Действие управляющего электрода сводится к управлению
моментом включения тиристора.
Фазовый
метод управления тиристором.
Попробуем на простом примере тиристорного регулятора
освещения (схема на рис.3) разобрать особенности работы
тиристора в цепи переменного тока.
После выпрямительного мостика напряжение представляет
собой пульсирующее напряжение, изменяющееся в виде: 0 >
(+Umax) > 0 > (+Umax) > 0. Как на рис.2
Начало управления тиристором сводится к следующему.
При возрастании напряжения сети Uс, от момента перехода
напряжения через ноль, в цепи управляющего электрода
появляется ток управления Iуп по цепи:
+U – R1 – R2 – Уэ
– К – -U.
С ростом напряжения Uс растет и ток управления Iуп
(управляющий электрод - катод). При достижении тока
управляющего электрода величины Iвкл, тиристор
включается и замыкает точки +U и –U на схеме.
Падение напряжения на открытом тиристоре (анод - катод)
составляет 1,5 – 2,0 вольта. Ток управляющего электрода
упадет почти до нуля, а тиристор останется в проводящем
состоянии до момента, когда напряжение Uс сети не упадет
до нуля. С действием нового полупериода напряжения сети,
все повторится сначала.
В цепи протекает только ток нагрузки, то есть ток через
лампочку Л1 по цепи:
Uс – предохранитель – диодный мост
– анод - катод тиристора – диодный мост – лампочка Л1 -
Uс.
Лампочка загорится.
Проведем небольшие вычисления для примера рис.3.
Используем данные элементов как на схеме.
По справочнику для тиристора КУ202Н ток включения Iвкл =
100 мА. В реальности же он намного меньше и составляет
10 – 20 мА, в зависимости от экземпляра.
Возьмем для
примера Iвкл = 10 мА.
Управление моментом включения (регулировка яркости)
происходит путем изменения величины переменного
сопротивления резистора R1. Для разных значений
резистора R1, будут разные напряжения пробоя тиристора.
При этом момент включения тиристора будет меняться в
пределах:
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.
Фазовый угол а изменяется в пределах от а = 10 до а = 90
градусов.
Примерный результат этих вычислений приведен на рис. 4.
Заштрихованная часть синусоиды соответствует выделяемой
мощности на нагрузке.
Регулировка мощности фазовым методом, возможна только в
узком диапазоне угла управления от a = 10 градусов до а
= 90 градусов. То есть, в пределах от 90% до 50%
мощности выделяемой на нагрузке.
Начало регулирования от фазового угла а = 10 градусов объясняется
тем, что в момент времени t=0 – t=1, ток в цепи
управляющего электрода еще не достиг значения Iвкл (Uс
не достигло величины 20 вольт).
Все эти условия выполнимы в случае, если в схеме нет
конденсатора С.
Если поставить конденсатор, диапазон регулирования
напряжения (фазового угла) сместится вправо как на рис.5.
Это объясняется тем, что в первое время (t=0 – t=1),
весь ток идет на зарядку конденсатора, напряжение между
Уэ и К тиристора равно нулю и он не может включится.
Как
только конденсатор зарядится, ток пойдет через
управляющий электрод – катод, тиристор включится.
Угол регулирования зависит от емкости конденсатора и
сдвигается примерно от а = 30 до а = 120 градусов (при
емкости конденсатора 50 мкФ).
Мощность нагрузки будет
изменяться приблизительно от 80% до 30%.
Разумеется, все приведенные расчеты весьма
приблизительны, но общие рассуждения верны.
Все выше приведенные эпюры напряжений в разные
временные значения, в процессе регулирования, хорошо просматривались на экране
осциллографа. У кого есть осциллограф, можно посмотреть
самому
|