Схемы регуляторов мощности на симисторе

Для коммутации нагрузки в силовой электронике вместо электромеханических реле широко применяются твердотельные ключи. В цепях переменного тока удобно использовать симметричные элементы – симисторы (триаки). С их помощью можно строить регуляторы мощности для различных потребителей.

Основные принципы работы регуляторов мощности на симисторе

Регуляторы мощности на симисторах можно разделить на две категории:

Фазоимпульсное регулирование мощности

Строго говоря, полупроводниковый ключ запрется чуть раньше – когда ток силовой цепи снизится ниже порога удержания. Поэтому момент закрывания зависит от мощности нагрузки.

Существенным минусом реализации этого способа регулирования на практике является резко несинусоидальная форма тока, потребляемого нагрузкой. Это ведет к генерации импульсных помех.

Циклический способ регулирования

При циклическом способе регулирования ключ включается и выключается в моменты перехода сетевого напряжения через нулевое значение. Регулирование осуществляется путем изменения числа целых полупериодов, в течение которых потребитель оказывается запитан. Изменяя соотношение рабочих и пропущенных полупериодов, можно изменять среднюю мощность, выделяемую на нагрузке.

Преимущества использования схемы на симисторе

Самое главное достоинство симисторов, как любых других полупроводниковых ключей – отсутствие механических контактов и движущихся механических узлов. Это ведет:

• к минимизации износа;
• к отсутствию щелчков при переключении;
• к увеличению периода службы.

Кроме того, ресурс полупроводниковых приборов при правильной эксплуатации достаточно велик и не зависит от количества циклов включения-выключения.

Не обходится и без минусов. Так, для коммутации больших токов требуется радиатор, что нивелирует плюс в виде малых габаритов и массы. Также к недостаткам надо отнести низкую рабочую частоту, сдерживающую применение триаков в преобразовательных устройствах.

Существенным минусом можно считать и плохую работу при коммутации реактивной (индуктивной и ёмкостной) нагрузки. Этот недостаток и способы его преодоления будут разобраны далее при рассмотрении практических схем.

Обзор популярных схем на симисторах

Эта схема является классическим вариантом простого регулятора мощности на принципе фазоимпульсного управления. Управляющие импульсы формируются динистором VS1, задержка относительно начала полупериода регулируется временем зарядки конденсатора С1. Это время можно задавать, изменяя сопротивление потенциометра R1. В качестве главного ключа применим любой симистор, лишь бы он был рассчитан на рабочее напряжение и на мощность нагрузки.

Регулятор мощности на симисторе

Этот регулятор можно применить для паяльника (регулировать температуру жала), для лампы накаливания (регулировать яркость свечения) или для иной нагрузки, обладающей значительной тепловой инерцией. Для LED-ламп эта схема малопригодна, такое регулирование может привести к мерцанию. Пусть даже мерцание незаметно визуально, оно все равно будет присутствовать и приводить к чрезмерному утомлению глаз.

Улучшенный регулятор мощности

Чтобы избежать этого вредного эффекта, параллельно триаку ставят последовательную RC-цепочку (снаббер). Она ограничивает скорость нарастания напряжения между условным катодом и условным анодом.

Того же эффекта можно добиться, устанавливая параллельно главной цепи симистора варистор.

На рисунке приведена схема регулятора напряжения, более подходящего для индуктивной нагрузки. Она имеет лишь одно принципиальное отличие от предыдущего варианта. Параллельно главной цепи полупроводникового ключа подключена цепочка R5C3, задерживающая нарастание напряжения между условным катодом и условным анодом. Такая схема больше подходит для индуктивной нагрузки.

Регулятор на микросхеме

Фазоимпульсное управление симистором можно осуществить и на микросхеме КР1182ПМ1. Эта микросхема используется для работы с симистором и требует минимального количества внешних элементов.

Микросхема содержит встроенные тиристоры, и для управления маломощной нагрузкой не нужен даже внешний симистор, но для увеличения мощности и расширении сферы применения регулятора все же надо установить дополнительный триак.

Циклический регулятор мощности

Регулятор мощности, построенный по циклическому принципу

Недорогой регулятор мощности заводского изготовления

Китайский регулятор на симисторе

Все разобранные выше схемы можно изготовить самостоятельно, но, если желания и возможности нет, можно приобрести готовый китайский модуль (в специализированных магазинах или на интернет-площадках). При изучении его конструкции выяснилось, что он собран по стандартной схеме и оснащен снаббером в виде RC-цепочки R1C2.

Схема китайского регулятора

По результатам многочисленных испытаний выяснилось, что этот узел неплохо работает не только с нагревательной нагрузкой, но и может быть применен в качестве регулятора вращения коллекторных двигателей, например, пылесоса или вентилятора. Частоту вращения асинхронных электромоторов, к сожалению, изменять с помощью этого модуля не получится.

Производители заявляют, что с помощью этого прибора можно управлять нагрузкой мощностью до 2 кВт (ток через ключевой элемент до 5 ампер). На практике уже при нагрузке в 1 кВт симистор модуля заметно греется. Проблема в том, что ключ оснащен очень маленьким теплоотводом. В качестве способа решения проблемы можно попробовать заменить штатный теплоотвод на радиатор с большей площадью.

Чтобы эффективно использовать симистор в электрических цепях, необходимо учитывать его основные характеристики и возможные проблемы. Рассмотрим основные моменты, которые следует учитывать при работе с этим ключевым элементом.

Основные характеристики симистора

Симистор — это полупроводниковый прибор, который объединяет в себе свойства тиристора и транзистора. Основные характеристики симистора:

• Высокая способность переключения тока.
• Низкое сопротивление во включенном состоянии.
• Высокая стабильность параметров работы.
• Высокая надежность и долгий срок службы.

Преимущества симисторов

• Быстрое переключение.
• Малые габариты и масса.
• Высокая эффективность.
• Низкое тепловыделение.

Недостатки симисторов

• Необходимость предварительной запирания.
• Чувствительность к внешним воздействиям.
• Требование к радиатору для отвода тепла.

В целом, симисторы являются отличным выбором для управления током и мощностью в электрических цепях, однако, при проектировании системы необходимо учитывать их особенности и ограничения.