Розробка регулятора змінної напруги з вольтододачею

Розробка регулятора змінної напруги з вольтододачею

1. Теоретичні відомості

1.1 Структура та принципи роботи тиристора

Тиристор - це перемикаючий напівпровідниковий прилад, що пропускає струм в одному напрямку. Цей радіоелемент часто порівнюють з керованим діодом і називають напівпровідниковим керованим вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).

Тиристор має три вивода, один з яких - керуючий електрод, можна сказати, "спусковий гачок" - використовується для різкого переводу тиристора у включеному стані.

Тиристор суміщає в собі функції випрямляча, вимикача і підсилювача. Часто він використовується як регулятор, головним чином, коли схема живиться змінною напругою. Нижченаведені пункти розкривають чотири основні властивості тиристора:

* тиристор, як і діод, проводить в одному напрямі, проявляючи себе як випрямляч;

* Тиристор переводиться з вимкненого стану у ввімкнений при подачі сигналу на керуючий електрод і, отже, як вимикач має два стійких стани. Тим не менше для повернення тиристора у вимкнений (розімкнутий) стан необхідно виконати спеціальні умови;

* керуючий струм, необхідний для переводу тиристора із закритого стану у відкритий, значно менший (декілька міліампер) при робочому струмі в декілька ампер і навіть в декілька десятків ампер. Отже, тиристор має властивості підсилювача струму;

* середній струм через навантаження, включене послідовно з тиристором, можна точно регулювати залежно від тривалості сигналу на керуючому електроді. Тиристор при цьому є регулятором потужності.

Вольт-амперна характеристика тиристора ВАХ тиристора (з керуючими електродами або без них) наведена на рис 1.1.1 Вона має кілька ділянок:

Рисунок 1.1.1 - Вольтамперна характеристика тиристора

* Між точками 0 і 1 знаходиться ділянка, відповідний високому опору приладу - пряме замикання.

* У точці 1 відбувається включення тиристора. * Між точками 1 і 2 знаходиться ділянка з негативним диференціальним опором.

* Ділянка між точками 2 і 3 відповідає відкритому станом (прямий провідності).

* У точці 2 через прилад протікає мінімальний тримає струм Ih.

* Ділянка між 0 і 4 описує режим зворотного запирання приладу.

* Ділянка між 4 і 5 - режим зворотного пробою.

Структура тиристора

Тиристором називається керований трьохелектродний напівпровідниковий прилад, що складається з чотирьох кремнієвих шарів типу р і n, що чергуються. Напівпровідниковий прилад з чотиришаровою структурою представлений на рис. 1.1.2.

Крайню область р-структури, до якої підключається позитивний полюс джерела живлення, прийнято називати анодом, а крайню область n, до якої підключається негативний полюс цього джерела, - катодом.

Властивості тиристора в закритому стані

У відповідності до структури тиристора можна виділити три

Рисунок 1.1.2 - Структура і позначення тиристора

електронно-діркового переходів і замінити тиристор еквівалентної схемою, як показано на рис. 1.1.3.

Ця еквівалентна схема дозволяє зрозуміти поведінку тиристора з відключеним керуючим електродом.

Якщо анод позитивний по відношенню до катода, то діод D2 закрито, що призводить до закриття тиристора, зміщеного в цьому випадку в прямому напрямку. За іншої полярності діоди D1 та D2 зміщені у зворотному напрямку, і Тиристор також закритий.

Рисунок 1.1.3 - Представлення тиристора трьома діодами

Принцип відмикання за допомогою керуючого електрода Еквівалентна представлення структури р-n-p-n у вигляді двох транзисторів показано на рис. 1.1.4.

Представлення тиристора у вигляді двох транзисторів різного типу провідності призводить до еквівалентної схемою, представленої на рис. 4.

Вона наочно пояснює явище відмикання тиристора. Задамо струм IGT через керуючий електрод тиристора, зміщеного в прямому напрямку (напруга UAK позитивна), як показано на рис. 1.1.5.

Оскільки струм IGT стає базовим струмом транзистора n-p-n, то струм колектора цього транзистора дорівнює B1•IGT, де B1 - коефіцієнт підсилення по струму транзистора Т1.

Цей струм одночасно є базовим струмом транзистора р-n-р, що приводить до його відмикання. Струм колектора транзистора Т2 становить величину B1•B2•IGT і підсумовується зі струмом IGT, що підтримує транзистор Т1 у відкритому стані. Тому, якщо керуючий струм IGT досить великий, обидва транзистора переходять в режим насичення.

Ланцюг внутрішньої зворотного зв'язку зберігає провідність тиристора навіть у випадку зникнення початкового струму керуючого електрода IGT, при цьому струм анода (1А) залишається досить високим.

Типова схема запуску тиристора наведена на рис. 1.1.6

Рисунок 1.1.4 - Розбиття тиристора на два транзистора

Рисунок 1.1.5 - Представлення тиристора у вигляді двухтранзисторної схеми

Рисунок 1.1.6 - Типова схема запуску тиристора

Відключення тиристора

Рисунок 1.1.7 - Способи відключення тиристора

Тиристор перейде в закритий стан, якщо до керуючого електроду відкритого тиристора не доклав жодних сигнал, а його робочий струм спаде до деякого значення, званого струмом утримання (гіпостатичним струмом).

Відключення тиристора відбудеться, зокрема, якщо була розімкнути ланцюг навантаження (рис. 1.1.7а) або напруга, прикладена до зовнішньої ланцюга, поміняла полярність (це трапляється наприкінці кожного напівперіода змінної напруги живлення).

Коли тиристор працює при постійному струмі, відключення може бути зроблено за допомогою механічного вимикача.

Включений послідовно з навантаженням цей ключ використовується для відключення робочого ланцюга.

Включений паралельно основним електродів тиристора (рис. 1.1.7б) ключ шунтує анодний струм, і тиристор при цьому переходить в закритий стан. Деякі тиристори повторно вмикаються після розмикання ключа. Це пояснюється тим, що при розмиканні ключа заряджається паразитна ємність р-n переходу тиристора, викликаючи завади.

Тому вважають за краще розміщувати ключ між керуючим електродом і катодом тиристора (рис. 1.1.7в), що гарантує правильне відключення за допомогою відсікання утримуючого струму. Одночасно зміщується у зворотному напрямку перехід р-n, відповідний діоду D2 зі схеми заміщення тиристора трьома діодами (рис. 1.1.3).

На рис. 6а-д представлені різні варіанти схем відключення тиристора, серед них і раніше згадувані. Інші, як правило, застосовуються, коли потрібно відключати тиристор за допомогою додаткового ланцюга. У цих випадках механічний вимикач можна замінити допоміжним тиристором або ключовим транзистором, як показано на рис. 1.1.8.

Рисунок 1.1.8 - Класичні схеми відключення тиристора за допомогою додаткового ланцюга

1.2 Структура та принципи роботи симістора

Симіcтop - напівпровідниковий прилад, який широко використовується в системах, що харчуються змінною напругою. Спрощено він може розглядатися як керований вимикач. У закритому стані він веде себе як розімкнутий вимикач. Навпаки, подача керуючого струму на керуючий електрод сімістора веде до переходу його в провідний стан. У цей час симістор подібний замкнутому вимикачу.

При відсутності керуючого струму сімістор під час будь-якого напівперіоду змінної напруги живлення неминуче переходить зі стану провідності в закритий стан.

Крім роботи в релейному режимі в термостаті або світлочутливому вимикачі, розроблені і широко використовуються системи регулювання, які функціонують за принципом фазового управління напругою навантаження, або, іншими словами, плавні регулятори.

Структура симістора

Симістор можна представити двома тиристорами, ввімкненими зустрічно-паралельно. Він пропускає струм в обох напрямках. Структура цього напівпровідникового приладу показана на рис. 1.2.1. Симістор має три електрода: один керуючий і два основних для пропускання робочого струму.

Рисунок 1.2.1 - Функціонування симістора

Симістор відкривається, якщо через керуючий електрод проходить відпираючий струм або якщо напруга між його електродами А1 і А2 перевищує деяку максимальну величину (насправді це часто приводить до несанкціонованого спрацьовування симістора, що відбуваються при максимумі амплітуди напруги живлення).

Симістор переходить в закритий стан після зміни полярності між його висновками А1 і А2 або якщо значення робочого струму менше струму утримання IУ.

Відмикання симістора

У режимі змінного живлення зміна станів симістора викликається зміною полярності напруги на робочих електродах А1 і А2. Тому в залежності від полярності керуючого струму можна визначити чотири варіанти управління симістором, як показано на рис. 1.2.2.

Кожен квадрант відповідає одному способу відмикання симістора. Всі способи коротко описані в табл. 1.2.1.

Наприклад, якщо між робочими електродами симістора прикладають напругу VA1-A2>0 і напруга на керуючому електроді негативно по відношенню до анода А1, то зміщення симістора відповідає квадранту

Рисунок 1.2.2 - Чотири можливі варіанти управління сімістором

Таблиця 1.2.1 Спрощене уявлення способів відмикання симістора

II і спрощеним позначенню + -.

Для кожного квадранта визначені відпираючий струм Iвід (IGT), утримуючий струм Iут (Iн) і струм ввімкнення Iввім (IL).

Відпираючий струм повинен зберігатися до тих пір, поки робочий струм не перевищить у два-три рази величину утримуючого струму Iн. Цей мінімальний відпираючий струм і є струмом ввімкнення сімістора IL.

Потім, якщо прибрати струм через керуючий електрод, симістор залишиться в провідному стані до тих пір, поки анодний струм буде перевищувати струм утримання Iн.

Обмеження при використанні

Симістор накладає ряд обмежень при використанні, зокрема при індуктивного навантаження. Обмеження стосуються швидкості зміни напруги (dV/dt) між анодами симістора і швидкості зміни робочого струму di/dt.

Дійсно, під час переходу сімістора із закритого стану відкритий зовнішнім ланцюгом може бути викликаний значний струм. У той же час миттєвого падіння напруги на виводах сімістора не відбувається. Отже, одночасно будуть присутні напруга і струм, розвиваючі миттєву потужність, яка може досягти значних величин. Енергія, розсіяна в малому просторі, викличе різке підвищення температури р-n переходів. Якщо критична температура буде перевищена, то відбудеться руйнування симістора, викликане надмірною швидкістю наростання струму di/dt.

Обмеження також поширюються на зміну напруги двох категорій: на dV/dt стосовно до закритого симістору і на dV/dt при відкритому симісторі (останнє також називається швидкістю перемикання).

Надмірна швидкість наростання напруги, доданої між виводами А1 і А2 заритого симістора, може викликати його відкриття при відсутності сигналу на керуючому електроді. Це явище викликається внутрішньою ємністю симістора. Струм заряду цієї ємності може бути достатнім для відмикання сімістора.

Однак не це є основною причиною несвоєчасного відкриття. Максимальна величина dV/dt при перемиканні симістора, як правило, дуже мала, і занадто швидка зміна напруги на виводах симістора в момент його замикання може негайно ж спричинити за собою нове включення. Таким чином, сімістор заново відмикається, в той час як повинен закритися.

Рисунок 1.2.3 - Симістор із захисним RC-ланцюжком

При індуктивному навантаженні симістора або при захисті від зовнішніх перенапружень для обмеження впливу dV/dt та струму перевантаження бажано використовувати захисний RC-ланцюжок (рис. 1.2.3).

Розрахунок значень R і С залежить від декількох параметрів, серед яких - величина струму в навантаженні, значення індуктивності і номінального опору навантаження, робочої напруги, характеристик сімістора. Сукупність цих параметрів важко піддається точному опису, тому часто беруть до уваги емпіричні значення. Включення опору 100-150 Ом і конденсатора 100 нФ дає задовільні результати. Проте відзначимо, що значення опору повинно бути набагато менше (або одного порядку), ніж величина повного навантаження, будучи достатньо високим для того, щоб обмежити струм розряду конденсатора з метою дотримання максимального значення di/dt в момент відмикання.

RC-ланцюжок додатково покращує включення в провідний стан симістора, керуючого індуктивним навантаженням. Дійсно, струм розряду конденсатора усуває вплив затримки індуктивного струму, підтримуючи робочий струм вище мінімального значення утримуючого струму Iуд (Iн).

Рисунок 1.2.4 - Захист симістора за допомогою варистора

Додатковий захист, що заслуговує уваги, може бути забезпечений за допомогою варистора, підключеного до виводів індуктивного навантаження. Інший варистор, включений паралельно напрузі живлення, затримає завади, що розповсюджуються по мережі живлення. Захист симістора також забезпечується при підключенні варистора паралельно його виводам А1 і А2 (рис. 1.2.4).

1.3 Трансформатор

Трансформатор (від лат. Transformo - перетворювати) - статичний електромагнітний пристрій, що має дві або більше індуктивно пов'язаних обмоток і призначене для перетворення за допомогою електромагнітної індукції однієї або декількох систем змінного струму в одну або кілька інших систем змінного струму.

Трансформатор може складатися з однієї (автотрансформатор) або кількох ізольованих дротяних, або стрічкових обмоток (котушок), що охоплюються загальним магнітним потоком, намотаних, як правило, на магнітопровод (сердечник) з феромагнітного магніто-м'якого матеріалу.

Види трансформаторів

1. Силовий трансформатор - трансформатор, який призначений для перетворення електричної енергії в електричних мережах і в установках, призначених для прийому і використання електричної енергії. Автотрансформатор - варіант трансформатора, в якому первинна і вторинна обмотки сполучені безпосередньо, і мають за рахунок цього не тільки електромагнітний зв'язок, а й електричну. Обмотка автотрансформатора має кілька виводів (як мінімум 3), підключаючись до яких, можна отримувати різні напруги. Перевагою автотрансформатора є більш високий ККД, оскільки лише частина потужності піддається перетворенню - це особливо істотно, коли вхідна і вихідна напруги відрізняються незначно. Недоліком є відсутність електричної ізоляції (гальванічної розв'язки) між первинним і вторинним ланцюгом. У промислових мережах, де наявність заземлення нульового проводу обов'язково, цей чинник ролі не грає. Натомість істотною є менша витрата сталі для сердечника, міді для обмоток, меншу вагу і габарити, і в результаті - менша вартість. Особливо ефективний автотрансформатор у випадках, коли необхідно отримати вторинну напругу, яка не сильно відрізняється від первинної.

2. Трансформатор струму - трансформатор, який живиться від джерела струму. Типове застосування - для зниження первинного струму до величини, яка використовується у ланцюгах вимірювання, захисту, управління та сигналізації. Номінальне значення струму вторинної обмотки 1А, 5А. Первинна обмотка трансформатора струму вмикається в ланцюг з вимірюваним змінним струмом, а у вторинну включаються вимірювальні прилади. Струм, що протікає по вторинній обмотці трансформатора струму, дорівнює струму первинної обмотки, поділеній на коефіцієнт трансформації.

Страницы: 1, 2, 3