В данной статье, автор поднимает один из вопросов, который в большинстве статей посвященных этой теме или затрагивается совсем мало или отсутствует. Тем не менее, в литературе во всех известных бестрансформаторных устройствах бытовой автоматики для уменьшения тока симистора использованы оптотиристорные или релейные промежуточные элементы. Однако симисторы требуют сравнительно большего управляющего тока, что несколько ограничивает их применение в простых бестрансформаторных устройствах, питающихся непосредственно от сети через балластные элементы, гасящие избыток напряжения. К числу наиболее актуальных следует отнести вопрос снижения среднего значения тока управления симистором. Применение симистора вместо двух тринисторов, включенных встречно-параллельно, во многих случаях более оправдано, так как, кроме прочего, позволяет уменьшить габариты и стоимость устройства. Автор предлагает весьма интересный подход к решению этого вопроса.
Существенно уменьшить средний открывающий ток позволяет импульсное управление симистором. Подобное решение рассмотрено в [1], где описан узел управления, формирующий открывающие импульсы в начале каждого полупериода сетевого напряжения. Это устройство успешно работает совместно с активной нагрузкой, но с активно-индуктивной (обмотка электродвигателя или трансформатора) его работа будет неудовлетворительной, а в ряде случаев невозможной из-за фазового сдвига между напряжением сети и током в цепи нагрузки, а также из-за ограничения скорости нарастания тока нагрузки (эффект малой нагрузки).
Решить задачу можно, если синхронизировать устройство с паузами не напряжения сети, а тока нагрузки, причем в качестве датчика тока нагрузки удобно использовать сам симистор. Суть состоит в том, что когда между основными выводами 1 и 2 симистора малое напряжение, т. е. он открыт, через него протекает ток, а если между этими выводами присутствует положительное или отрицательное напряжение, большее постоянного открывающего, - закрыт. Следовательно, синхронизирующим должно быть напряжение между выводами 1 и 2 симистора. При этом, в отличие от традиционных узлов управления, формирующих открывающий ток по принципу "лишь бы не меньше", контроль напряжения на симисторе позволяет заметно снизить средний ток управления, поскольку он автоматически прекращается после открывания симистора.
Рис.1.
На рис. 1 изображена упрощенная схема узла управления симистором, реализующего описанный способ. Датчик состояния симистора, собранный на транзисторах VT1-VT3 и резисторах R1, R4, R5 по схеме, описанной в [2], формирует высокий выходной уровень, если симистор VS1 открыт. Как только напряжение между выводами 1 и 2 закрытого симистора превысит 12В, открываются либо транзистор VT3, либо VT1, VT2 в зависимости от полярности этого напряжения. В обоих случаях открывается транзистор VT4 и через него, резистор R6 и управляющий электрод симистора протекает открывающий ток. Значение этого тока (примерно 0,15 А) определяет сопротивление резистора R6.
Как только симистор откроется, напряжение на нем уменьшится до 1... 1,5В, что приведет к закрыванию всех транзисторов и прекращению открывающего симистор тока. Если ток через симистор не достигнет границы тока удержания, что может быть в случае индуктивной или малой активной нагрузки, то симистор закроется и процесс будет повторяться, пока симистор не отроется надежно.
В случае активной нагрузки обычно достаточно одного открывающего импульса, а при активно-индуктивной может потребоваться несколько. Причем с активной нагрузкой устройство потребляет ток примерно 0,3 мА, а при наличии индуктивной составляющей — до 3 мА. Из сказанного следует, что узел управления адаптируется к виду нагрузки и формирует ток, строго достаточный для открывания симистора.
Рис.2.
На рис. 2 изображена практическая схема узла управления симистором. Питается узел непосредственно от сети переменного тока, как и нагрузка RH. Сетевое напряжение выпрямляет однополупериодный выпрямитель на диодах VD5, VD6 и стабилизирует на уровне 15В стабилитрон VD4. Избыток сетевого напряжения гасит конденсатор СЗ.
Резистор R12 ограничивает импульсный ток через диоды выпрямителя при включении устройства в сеть, а резистор R11 разряжает конденсатор СЗ после выключения устройства. Конденсатор С1 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Стабилизированным напряжением 15В, снимаемым с выводов А и Г, питается и функциональный узел, который определяет назначение всего устройства в целом. Функциональный узел должен потреблять ток не более 7 мА в случае активной нагрузки и не более 5 мА при активно-индуктивной с cosj
> 0,7.
Цепь управления симистором VS1 состоит из конденсатора С2, резистора R10 и транзистора VT5. Напряжение, накопленное на этом конденсаторе, приложено к управляющему электроду симистора VS1 через резистор R10 и транзистор VT5. Резистор ограничивает открывающий ток на уровне 0,15 А. Конденсатор С2 в паузах между открывающими импульсами заряжается через резистор R9 от стабилизированного напряжения. Одновременно этот резистор вместе с конденсатором С1 образуют RC-фильтр, не пропускающий импульсные помехи из цепи управления симистором в цепь питания функционального и управляющего узлов.
Транзистором VT5 управляет логический элемент 3ИЛИ-НЕ, собранный на транзисторе VT2 и диодах VD1- VD3 . Разрешающий управление высокий уровень на выходе логического элемента будет тогда, когда:
- во-первых, на вывод Б узла управления поступит низкий уровень с функционального узла
- во-вторых, на симисторе VS1 напряжение достигнет 12 В
- в-третьих, конденсатор С2 зарядится до напряжения 10 В, достаточного для открывания симистора.
Напряжение на симисторе контролирует датчик его состояния, собранный на транзисторах VT3, VT4, VT6 и резисторах R6, R8, R13 и R14, о работе которого рассказано выше. С выхода функционального узла активный сигнал низкого уровня поступает на вывод В и далее на вход узла фазового управления, описанного ниже, и на один из входов логического элемента 3ИЛИ-НЕ.
За напряжением на конденсаторе С2 следит узел, собранный на транзисторе VT1 и резисторах R3-R5. Если конденсатор С2 заряжен до напряжения 10В, низкий активный уровень с коллектора транзистора VT1 поступает на один из входов элемента 3ИЛИ-НЕ. Для получения законченного устройства - термостабилизатора, светорегулятора и т. д. к описанному узлу управления симистором необходимо подключить тот или иной функциональный узел, который и будет определять заданную функцию устройства.
Рис.3.
На рис. 3 изображена схема функционального узла, позволяющего на базе описанного устройства управления симистором построить двухпозиционный термостабилизатор для инкубатора. Датчиком температуры служит однопереходный транзистор VT1. Длительный опыт эксплуатации этого транзистора в подобном режиме показал, что он обладает хорошей чувствительностью и временной стабильностью и как нельзя лучше подходит для такой роли.
Межбазовое сопротивление транзистора VT1 включено в плечо измерительного моста, состоящего из резисторов R1 - R3 и подстроечного резистора R4 или R5, в зависимости от положения переключателя SA1. Выходное напряжение моста поступает на вход компаратора, собранного на ОУ DA1. Резистор R6 обеспечивает температурный "гистерезис" около ± 0,25 °С. При использовании транзистора КТ117 с другим буквенным индексом необходимо сначала сбалансировать мост грубо подборкой резистора R3, а затем точно резистором R4 при температуре +40 °С и резистором R5 - при +38 °С. Измерительный мост и ОУ питаются от параметрического стабилизатора VD1R7.
Рис.4.
Схема функционального узла, позволяющего реализовать фазовое управление симистором, показана на рис. 4. Принцип работы устройства основан на снятии с узла управления сигнала синхронизации (с вывода В) и трансляции его с регулируемой задержкой на один из входов логического элемента 3ИЛИ-НЕ узла (на вывод Б). Регулируемую задержку формирует устройство, собранное на четырех инверторах.
Инвертор DD1.1 посредством последовательной цепи, состоящей из диода VD1 и резистора R1, удерживает конденсатор С1 в разряженном состоянии, пока на симисторе отсутствует напряжение (т. е. симистор открыт). В момент появления на симисторе напряжения 12В высокий минусовый уровень элемента DD1.1 закрывает диод VD1 и начинается зарядка конденсатора С1 через резисторы R2, R3.
Как только напряжение на конденсаторе С1 достигнет порога срабатывания триггера Шмитта, собранного на инверторах DD1.3, DD1.4 и резисторах R4, R5, он переключится. Высокий выходной уровень триггера инвертирует элемент DD1.2, после чего низкий уровень поступит на вход узла управления симистором (на вывод Б). Резистор R1 замедляет разрядку конденсатора С1, что позволяет сформировать серию открывающих импульсов в случае активно-индуктивной нагрузки.
Узел управления был испытан с симисторами ТС2-10, ТС2-16, ТС2-25, ТС112-10, ТС112-16, ТС122-25. Без всякого предварительного отбора все они работали устойчиво. При использовании других симисторов рекомендуется подобрать резистор R10 с тем, чтобы получить необходимый открывающий ток управления, рекомендуемый справочной литературой.
Рис.5.
Чертеж печатной платы узла управления представлен на рис. 5. Она изготовлена из односторонне фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм.
Б. Володин
Литература:
1. Бирюков С. Симисторный термостабилизатор. - Радио,1998, № 1,с. 50, 51.
2. Д. Г. Детектор нуля. - Млад конструктор, 1987, № 2, с. 16.
