Випрямлячі з тиристорним регулятором напруги. Випрямлячі, що управляються: принцип роботи, схема, область застосування Тиристорні випрямлячі федюкова

Випробувана часом схема регулювання струму потужних споживачіввідрізняється простотою в налагодженні, надійністю в експлуатації та широкими споживчими можливостями. Вона добре підходить для керування режимом зварювання, пуско-зарядних пристроїв і потужних вузлів автоматики.

Принципова схема

При харчуванні потужних навантаженьпостійним струмом часто застосовується схема (рис.1) випрямляча чотирьох силових вентилях. Змінна напруга підводиться до однієї діагоналі "моста", вихідна постійна (пульсуюча) напруга знімається з іншої діагоналі. У кожному напівперіоді працює одна пара діодів (VD1-VD4 або VD2-VD3).

Ця властивість випрямного "моста" суттєво: сумарна величина випрямленого струму може досягати подвоєної величини граничного струму для кожного діода. Гранична напруга діода не повинна бути нижчою за амплітудну вхідну напругу.

Оскільки клас напруги силових вентилів сягає чотирнадцятого (1400 В), з цим для побутової електромережі проблем немає. Існуючий запас по зворотному напрузі дозволяє використовувати вентилі з деяким перегріванням, з малими радіаторами (не зловживати!).

Мал. 1. Схема випрямляча чотирьох силових вентилях.

Увага! Силові діоди з маркуванням "В" проводять струм, "подібно" до діодів Д226 (від гнучкого виведення до корпусу), діоди з маркуванням "ВЛ" - від корпусу до гнучкого виведення.

Використання вентилів різної провідності дозволяє виконати монтаж лише на двох подвійних радіаторах. Якщо ж з корпусом пристрою з'єднати "корпуси" вентилів "ПЛ" (вихід "мінус"), то залишиться ізолювати лише один радіатор, на якому встановлені діоди з маркуванням "В". Така схема проста в монтажі та "налагодженні", але виникають труднощі, якщо доводиться регулювати струм навантаження.

Якщо зі зварювальним процесом все зрозуміло (приєднувати "баласт"), то з пусковим пристроєм виникають величезні проблеми. Після пуску двигуна величезний струм не потрібен і шкідливий, тому необхідно його швидко відключити, оскільки кожне зволікання скорочує термін служби батареї (нерідко вибухають батареї!).

Дуже зручна для практичного виконання схема, показана на рис.2, в якій функції регулювання струму виконують тиристори VS1, VS2, в цей випрямний міст включені силові вентилі VD1, VD2. Монтаж полегшується тим, що кожна пара діод-тиристор кріпиться на своєму радіаторі. Радіатори можна застосувати стандартні (промислове виготовлення).

Інший шлях - самостійне виготовленнярадіаторів із міді, алюмінію товщиною понад 10 мм. Для вибору розмірів радіаторів необхідно зібрати макет пристрою і "поганяти" його у важкому режимі. Непогано, якщо після 15-хвилинного навантаження корпусу тиристорів і діодів не "випалюватимуть" руку (напругу в цей момент відключити!).

Корпус пристрою необхідно виконати так, щоб забезпечити хорошу циркуляцію нагрітого пристроєм повітря. Не завадить установка вентилятора, який допомагає проганяти повітря знизу вгору. Зручні вентилятори, що встановлюються у стійках з комп'ютерними платами або "радянських" гральних автоматах.

Мал. 2. Схема регулятора струму на тиристорах.

Можливе виконання схеми регульованого випрямляча повністю на тиристорах (рис.3). Нижня (за схемою) пара тиристорів VS3, VS4 запускається імпульсами блоку управління.

Імпульси приходять одночасно на електроди, що управляють, обох тиристорів. Така побудова схеми "дисонує" з принципами надійності, але час підтвердив працездатність схеми ("спалити" тиристори побутова електромережане може, оскільки вони витримують імпульсний струм 1600 А).

Тиристор VS1 (VS2) включений як діод - при позитивному напрузі на аноді тиристора через діод VD1 (або VD2) і резистор R1 (або R2) на керуючий електрод тиристора буде поданий струм, що відпирає. Вже при напрузі кілька вольт тиристор відкриється і до закінчення напівхвилі струму проводитиме струм.

Другий тиристор, на аноді якого була негативна напруга, не запускатиметься (це й не потрібно). На тиристори VS3 і VS4 зі схеми керування надходить імпульс струму. Величина середнього струму в навантаженні залежить від моментів відкривання тиристорів - чим раніше приходить відкриваючий імпульс, тим більшу частину періоду відповідний тиристор буде відкритий.

Мал. 3. Схеми регульованого випрямляча повністю на тиристорах.

Відкриття тиристорів VS1, VS2 через резистори дещо "притупляє" схему: при низьких вхідних напругах кут відкритого стану тиристорів виявляється малим - у навантаження проходить помітно менший струм, ніж у схемі з діодами (рис.2).

Таким чином, дана схемацілком придатна для регулювання зварювального струму по "вторинці" та випрямлення мережевої напруги, де втрата кількох вольт несуттєва.

Ефективно використовувати тиристорний міст для регулювання струму в широкому діапазоні напруг живлення дозволяє схема, показана на рис.4,

Пристрій складається з трьох блоків:

1. силового;
2. схеми фазоімпульсного регулювання;
3. двограничного вольтметра.

Трансформатор Т1 потужністю 20 Вт забезпечує живлення блоку управління тиристорами VS3 та VS4 та відкривання "діодів" VS1 і VS2. Відкриття тиристорів зовнішнім блокомживлення ефективно при низькій (автомобільній) напрузі в силовому ланцюгу, а також при живленні індуктивного навантаження.

Мал. 4. Тиристорний міст для регулювання струму у широкому діапазоні.

Мал. 5. Принципова схема блоку керування тиристорами.

Відкриваючі імпульси струму з 5-вольтових обмоток трансформатора підводяться в протифазі до електродів, що управляють, VS1, VS2. Діоди VD1, VD2 пропускають до електродів, що управляють, тільки позитивні напівхвилі струму.

Якщо фазування імпульсів "підходить", то тиристорний випрямний міст буде працювати, інакше струму в навантаженні не буде.

Цей недолік схеми легко усунемо: достатньо повернути навпаки мережеву вилку живлення Т1 (і позначити фарбою, як потрібно підключати вилки та клеми пристроїв до мережі змінного струму). При використанні схеми в пуско-зарядному пристрої помітно збільшення струму, що віддається в порівнянні зі схемою рис.3.

Дуже вигідна наявність слаботочного ланцюга (мережевого трансформатора Т1). Розрив струму вимикачем S1 повністю знеструмлює навантаження. Таким чином, перервати пусковий струм можна маленьким кінцевим вимикачем, автоматичним вимикачемабо слаботочне реле (додавши вузол автоматичного відключення).

Це дуже суттєвий момент, оскільки розривати сильноточні ланцюги, що вимагають проходження струму хорошого контакту, набагато важче. Ми не випадково згадали про фазування трансформатора Т1. Якби регулятор струму був "вбудований" у зарядно-пусковий пристрій або в схему зварювального апарата, то проблема фазування була б вирішена в момент налагодження основного пристрою.

Наш пристрій спеціально виконаний широкопрофільним (як користування пусковим пристроєм визначається сезоном року, так і зварювальні роботидоводиться вести нерегулярно). Доводиться керувати режимом роботи потужної електродрилі та живити ніхромові обігрівачі.

На рис.5 показано схему блоку управління тиристорами. Випрямний місток VD1 подає в схему пульсуючу напругу від 0 до 20 В. Ця напруга через діод VD2 підводиться до конденсатора С1 забезпечується постійна напругаживлення потужного транзисторного "ключа" на VT2, VT3.

Пульсуюча напруга через резистор R1 підводиться до паралельно з'єднаних резистори R2 і стабілітрону VD6. Резистор "прив'язує" потенціал точки "А" (рис.6) до нульового, а стабілітрон обмежує вершини імпульсів на рівні порога стабілізації. Обмежені імпульси напруги заряджають конденсатор С2 живлення мікросхеми DD1.

Ці імпульси напруги впливають на вхід логічного елемента. При певному порозі напруги логічний елемент перемикається. З урахуванням інвертування сигналу на виході логічного елемента (точка "В") імпульси напруги будуть короткочасними -близько моменту нульової вхідної напруги.

Мал. 6. Діаграма імпульсів.

Наступний елемент логіки інвертує напругу "В", тому імпульси напруги "С" мають значно більшу тривалість. Поки діє імпульс напруги "З", через резистори R3 та R4 відбувається заряд конденсатора C3.

Експонентно наростаюча напруга в точці "Е", в момент переходу через логічний поріг, "перемикає" логічний елемент. Після інвертування другим логічним елементом високій вхідній напругі точки "Е" відповідає висока логічна напруга в точці "F".

Двом різним величинам опору R4 відповідають дві осцилограми в точці "Е":

• менший опір R4 - більша крутість - Е1;
• більший опір R4 - менша крутість - Е2.

Слід звернути увагу також живлення бази транзистора VT1 сигналом "В, під час зниження вхідної напруги до нуля транзистор VT1 відкривається до насичення, колекторний перехід транзистора розряджає конденсатор С3 (підготовка до зарядки в наступному напівперіоді напруги). Таким чином, логічний високий рівеньз'являється у точці "F" раніше чи пізніше, залежно від опору R4:

• менший опір R4 – раніше з'являється імпульс – F1;
• більший опір R4 - пізніше утворюється імпульс - F2.

Підсилювач на транзисторах VT2 та VT3 "повторює" логічні сигнали -точка "G". Осцилограми у цій точці повторюють F1 та F2, але величина напруги досягає 20 В.

Через розділові діоди VD4, VD5 та обмежувальні резистори R9 R10 імпульси струму впливають на керуючі електроди тиристорів VS3 VS4 (рис.4). Один із тиристорів відкривається, і на вихід блоку проходить імпульс випрямленої напруги.

Найменшому значенню опору R4 відповідає більша частина напівперіоду синусоїди - H1, більшому - менша частина напівперіоду синусоїди - H2 (рис.4). Наприкінці напівперіоду струм припиняється і всі тиристори закриваються.

Мал. 7. Схема автоматичного двограничного вольтметра.

Таким чином, різним величинам опору R4 відповідає різна тривалість "відрізків" синусоїдальної напругина навантаженні. Вихідну потужність можна регулювати майже від 0 до 100%. Стабільність роботи пристрою визначається застосуванням "логіки" - пороги перемикання елементів є стабільними.

Конструкція та налагодження

Якщо помилок у монтажі немає, пристрій працює стабільно. При заміні конденсатора С3 буде потрібно підбір резисторів R3 і R4. Заміна тиристорів у силовому блоці може вимагати підбору R9, R10 (буває, навіть силові тиристори одного типу різко відрізняються за струмами включення – доводиться менш чутливий відбраковувати).

Вимірювати напругу на навантаженні можна щоразу "відповідним" вольтметром. Виходячи з мобільності та універсальності блоку регулювання, ми застосували автоматичний двограничний вольтметр (рис.7).

Вимірювання напруги до 30 В здійснюється головкою PV1 типу М269 з додатковим опором R2 (регулюється відхилення на всю шкалу при 30 В вхідної напруги). Конденсатор С1 необхідний згладжування напруги, що підводиться до вольтметра.

Для "загрублення" шкали в 10 разів служить решта схеми. Через лампу розжарювання (бареттер) HL3 та підстроювальний резистор R3 запитується лампа розжарювання оптопари U1, стабілітрон VD1 захищає вхід оптрона.

Велика вхідна напруга призводить до зниження опору резистора оптопари від мегаом до кілоом, транзистор VT1 відкривається, реле К1 спрацьовує. Контакти реле виконують дві функції:

• розмикають підстроювальний опір R1 - схема вольтметра перемикається на високовольтну межу;
• замість зеленого світлодіода HL2 вмикається червоний світлодіод HL1.

Червоний, помітніший, колір спеціально обраний для шкали великої напруги.

Увага! Підстроювання R1 (шкала 0...300) здійснюється після підстроювання R2.

Живлення до схеми вольтметра взято з блоку керування тиристорами. Розв'язка від вимірюваної напруги здійснена за допомогою оптрона. Поріг перемикання оптрона можна встановити трохи вище 30 В, що полегшить підстроювання шкал.

Діод VD2 необхідний захисту транзистора від сплесків напруги у момент знеструмлення реле. Автоматичне перемикання шкал вольтметра виправдане при використанні блоку живлення різних навантажень. Нумерація висновків оптрона не дано: за допомогою тестера неважко розрізнити вхідні та вихідні висновки.

Опір лампи оптрона дорівнює сотням, а фоторезистора - мегаом (у момент вимірювання лампа не запитана). На рис.8 показаний вид зверху (кришка знята). VS1 та VS2 встановлені на загальному радіаторі, VS3 та VS4 - на окремих радіаторах.

Різьблення на радіаторах довелося нарізати під тиристори. Гнучкі висновки силових тиристорів обрізані, монтаж здійснено тоншим дротом.

Мал. 8. Вид зверху.

На рис.9 показаний вид на лицьову панель пристрою. Зліва розташована ручка регулювання струму навантаження, справа – шкала вольтметра. Біля шкали закріплені світлодіоди, верхній (червоний) розташований біля напису "300 В".

Клеми пристрою не дуже потужні, оскільки застосовується воно для зварювання тонких деталей, де дуже важлива точність підтримки режиму. Час пуску двигуна невеликий, тому ресурсу клемних з'єднань вистачає.

Мал. 9. Вид на передню панель пристрою.

Верхня кришка кріпиться до нижньої із зазором у пару сантиметрів для забезпечення кращої циркуляції повітря.

Пристрій легко піддається модернізації. Так, для автоматизації режиму запуску двигуна автомобіля не потрібні додаткові деталі (рис.10).

Необхідно між точками D і E блоку управління включити нормально замкнуту контактну групу реле К1 зі схеми двограничного вольтметра. Якщо перебудовою R3 не вдасться довести поріг перемикання вольтметра до 12...13 В, доведеться замінити лампу HL3 потужнішою (замість 10 встановити 15 Вт).

Пускові пристрої промислового виготовлення налаштовуються на поріг увімкнення навіть 9 В. Ми рекомендуємо налаштовувати поріг перемикання пристрою на більш висока напруга, оскільки ще до включення стартера акумулятор трохи підживлюється струмом (до рівня перемикання). Тепер пуск проводиться трохи "зарядженим" акумулятором разом із автоматичним пусковим пристроєм.

Мал. 10 . Автоматизація режиму запуску двигуна автомобіля.

У міру збільшення бортової напругиавтоматика "закриває" подачу струму від пускового пристрою, при повторних пусках у потрібні моменти підживлення відновлюється. Наявний у пристрої регулятор струму (шпаруватості випрямлених імпульсів) дозволяє обмежити величину пускового струму.

Н.П. Горейко, В.С. Стовпець. м. Ладижин. Вінницька обл. Електрик-2004-08.

Мною давно виготовлено зварювальний апаратна основі трансформатора на кільцевому сердечнику від згорілого електродвигуна, який правильно служить вже понад 15 років. За ці роки не залишало бажання виготовити випрямляч для зварювання постійним струмом, оскільки запалення дуги та якість шва при цьому набагато краще. З'являється можливість зварювати нержавіючу сталь. При плавному регулюванні напруги можливе підключення ніхромової нитки для різання пінопласту, пластмаси, випалювання (точніше, вирізування з деревини обробних дощок для кухні, лиштви та багато іншого).

У різних виданнях траплялися публікації на цю тему, Але позитивного результату досягти не вдавалося. Справа в тому, що якщо просто підключити до трансформатора діодний або діодно-тиристорний випрямляч, на виході виходить напруга з пульсацією 100 Гц. При зварюванні електродом для постійного струму це досить багато. В результаті дуга нестабільна та постійно зривається. Не допомагає і встановлення в розрив вторинного ланцюга дроселя, що згладжує. Але коли зварювальний апарат стоїть у холодному гаражі або під навісом на вулиці, де температура повітря взимку опускається до -15...-25°С і необхідно терміново щось приварити, досить складний електронний пристрій починає давати збої.

Тому була зібрана простіша схема випрямляча, яка непогано показала себе навіть у зимовий період.

Схема

Виключено фрагмент. Наш журнал існує на пожертвування читачів. Повний варіант цієї статті доступний лише

Пристрій (рис.1) складається з зварювального трансформатора (промислового або саморобного), діодно-тиристорного випрямляча зі схемою управління, конденсатора, що згладжує С1 і дроселя L1.

Фактично – це простий регулятор потужності. Так як живлення схеми керування стабілізовано, встановлене значення зварювального струму підтримується досить стабільно. Через наявність у схемі фільтруючих елементів С1 та L1, пульсацій напруги на виході практично немає. Дуга тримається надійно, і якість шва виходить високою. Схема управління - це фазоімпульсний генератор на аналогу одноперехідного транзистора, зібраний на двох транзисторах різної провідності. Харчується від вторинної обмоткизварювального трансформатора Т1 через діодний міст VD1 та стабілізатор, утворений стабілітронами VD2, VD3. Їх можна замінити одним на відповідну напругу стабілізації. Резистор R1 обмежує струм, що протікає через стабілітрони. Залежно різних вихідних напруг зварювальних трансформаторів доводиться підбирати R1 для оптимального струму стабілізації стабілітронів VD2, VD3 та стійкої роботи фазоімпульсного генератора.
Змінним резистором R2 здійснюється регулювання зварювального струму. Він змінює час заряду конденсатора С1 до напруги відкриття ключа на транзисторах VT1 і VT2.
За бажанням розширити діапазон регулювання струму (у меншу сторону), збільшується опір R2 до 100 kOm. Управління потужними тиристорами VS1, VS2 здійснюється за допомогою
малопотужних VS3 та VS4, які, у свою чергу, запускаються генератором через імпульсний трансформатор T2.

Конструкція та деталі

У моєму варіанті випрямляч з регулятором виконаний окремим блоком і приєднується до зварювального апарату гнучкими перемичками приблизно 0,5 м завдовжки. Це зручніше, тому що не треба переробляти вже готовий зварювальний апарат, до того ж можна варити як постійним, так і змінним струмом. При такому виконанні випрямний блок можна підключати до будь-якого зварювального трансформатора. Діоди та тиристори встановлені на окремих ребристих радіаторах (рис.2).

Усі сполучні перемички виконані багатожильним мідним дротомз контактними клемами на кінцях під болтове з'єднання. Електронна схемауправління виконано на друкованій платі (рис.3), хоча і об'ємний монтаж, зібраний якісно, ​​анітрохи не гірший.

Вид з боку деталей

Імпульсний трансформатор Т2 – марок ТІ-3; ТІ-4; ТІ-5 з коефіцієнтом трансформації 1:1:1. Його можна намотати самому на феритовому кільці, наприклад, 32×20×6 МН2000. Усі обмотки містять по 100... 150 витків мідного. обмотувального дротумарки ПЕВ, ПЕЛШО 0,25...0,3 мм. Перед намотуванням сердечник необхідно обмотати шаром лакоткані. Конденсатор С1 набраний із 4 конденсаторів по 15000 мкФ з робочою напругою не менше 80В. Так як при замиканні і розмиканні зварювального ланцюга і при дузі, що горить, струми підживлення, що протікають через конденсатори, дуже великі, то з'єднувати конденсатори необхідно за схемою "зірка" (від однієї сполучної клемийдуть 4 дроти на виведення "+" кожного конденсатора, і від другої клеми - також 4 дроти на виведення "-" конденсаторів). Перетин кожного дроту обрано таким, щоб сумарний переріз всіх 4 проводів був не менший за переріз живлячих силових кабелів.

При недоборі ємності кондесатора С1, 44000 мкф (два імпортних по 22000 мкф на 90 в) при роботі апарату кондесатори гріються від збільшених струмів (заряд-розряд), при чотирьох імпортних по 22000 мкф на 90 в, при дуже тривалій роботі в режимі трохи теплі. Практика показала, що С1 краще працює із більшої кількості кондесаторів меншої ємності.

Дросель намотаний на сердечнику площею 20...30см2, з немагнітним зазором 0,5...1 мм. Кількість витків може бути від 25 до 60...80. Що більше витків, то краще, але погіршується відведення тепла від внутрішніх шарів обмотки. Провід для намотування повинен мати переріз, не менший за площу перерізу дроту, яким намотана вторинна обмотка трансформатора. Це стосується всіх перемичок, якими зроблені з'єднання силового блоку.

Зварювальний струм може досягати 100...180А, залежно від потужності зварювального трансформатора. Це треба враховувати під час монтажу.
При болтовому з'єднанні треба дотримуватись правила: зварювальний струм не повинен протікати через болт, якщо, звичайно, він не мідний або латунний. Це в основному стосується вхідних та вихідних клем. Один із варіантів, як можна зробити, показаний на рис.4.

Корпус випрямляча бажано виготовити з негорючого матеріалу, але можна навіть з фанери, якщо дозволяє об'єм і відступити подалі від радіаторів, що нагріваються.
У корпусі обов'язкові вентиляційні отвори. Ручка регулятора струму встановлюється на корпусі, і навколо наноситься шкала з поділками - для зручнішої установки струму. Для зручності регулювання робочого струму я встановив контрольну лампочку розжарювання 110 мінімальної потужності за ступенем якої я орієнтувався при установці струму зварювання. Як запобіжник у первинному ланцюзі трансформатора використовується автомат на відповідний робочий струм.
Вентилятор для примусового охолодження необхідно використовувати з досить пристойною за розмірами крильчаткою. Все це створює умови для безпечної, надійнішої роботи пристрою.

P.S. Прошу вибачення за низьку якість знімків. Вони перезняті телефоном (Nokia N73) зі старих роздруківок струминника.
Немає можливості зробити нові фото з апарату, оскільки він проданий.

Читацьке голосування

Статтю схвалили 32 читачі.

Для участі у голосуванні зареєструйтесь та увійдіть на сайт із вашими логіном та паролем.

Випрямляч, що керується, на тиристорах зводиться до управління моментом включення приладу. Найбільш поширений спосіб керування тиристорами – імпульсно-фазовий. При такому способі керування керуючий електрод тиристора періодично подаються імпульси напруги U y , що відкривають тиристор. Вони можуть зрушуватися в часі по відношенню до моменту появи позитивної напівхвилі напруги на вторинній обмотці трансформатора Тр.1 (рис.74) і цим впливати на момент включення тиристора. На рис.3 показана позитивна напівхвиля цієї напруги-крива U(t) і керуючий імпульс напруги U y. Кут називається кутом управління. Починаючи з часу t=α і остаточно позитивної напівхвилі напруги тиристор перебуває у відкритому (включеному) стані. Опір включеного тиристора і, отже, напруга аноді (колекторі) практично рівні нулю. На рис.75 пунктиром (- - -) показана крива напруги на колекторі тиристора протягом позитивної напівхвилі напруги U, а напруга на навантаженні R н позначено штрих-пунктирною лінією (? × ?).

Мал. 74 Схема керованого випрямляча Мал. 75 Графік напруги на

на тиристорах навантаженні, колекторі та

керуючому електроді

При α=0 тиристор відкритий протягом позитивної напівхвилі напруги його опір мало. При α=180° тиристор закритий, його опір великий.

На рис.76а показано напругу на навантаженні U н двонапівперіодного випрямляча при α=0, на рис.76б – при α=π/2.

а) б)

До керуючих імпульсів пред'являються такі вимоги:

1) амплітуда та тривалість керуючих імпульсів струму I ymax повинні бути достатніми для надійного відкривання тиристорів, але амплітуда струму не повинна перевищувати допустимого значення I yдоп;

2) крутість керуючих імпульсів напруги має бути високою, щоб відкривалися тиристори практично миттєво.

З цих вимог проектується пристрій (блок) імпульсно-фазового управління. На рис.77 зображено схему керованого двонапівперіодного випрямляча (з виведенням середньої точки вторинної обмотки трансформатора) з імпульсно-фазовим управлінням.

Мал. 77 Електрична принципова схема керованого випрямляча (а), кругова векторна діаграма (б)

У ланцюг управління випрямляча напруга подається від мостового фазообертача, що складається з трансформатора з виведенням середньої точки вторинної обмотки, конденсатора і змінного резистора R. при зміні величини опору R, як видно з кругової векторної діаграми(Мал.77б), кут зсуву фази вихідної напруги моста U dc по відношенню до вхідної напруги U ab може змінюватися від 0 до 180°. У цьому величина напруги U dc залишається незмінною.

Напруга U dc надходить на входи транзисторів VT1 і VT2 у вигляді напруги Uвх 1 і Uвх 2 відкриваючи один транзистор і закриваючи інший. вихідні напруги, що знімаються з колекторів транзисторів, Uk 1 і Uk 2 (рис.78д,е) містять змінні складові Uk 12 і Uk 22 трапецеїдальної форми (рис.78ж, з), так як на входи транзисторів подаються напруги значної величини. Потім трапецеїдальні напруги диференціюються (рис.78 і, к) за допомогою ланцюжків R 1 C 1 і R 2 C 2 і у вигляді прямокутних імпульсів Y vs3 Y vs4 (рис.78 л, м) надходять на керуючі електроди тиристорів VS3 і VS4 ; негативні імпульси напруги шунтуються діодами VD3 та VD4.

Таким чином, змінюючи опір R, впливають на величину кута і на час приходу імпульсів на керуючі електроди тиристорів.

Мал. 78 Графіки напруг

Характеріограф

За виконання цієї лабораторної роботи потрібно зняття вольт-амперної характеристики тиристора. Для цього використовується пристрій, за допомогою якого на екрані електроннопроменевої трубки (ЕЛТ) одержують вольт-амперну характеристику або сімейство цих характеристик. Спеці-

альний пристрій, призначений для цієї мети, називається характеріографом. В даному випадку як характеріограф застосовується осцилограф С1-68 і спеціальна приставка (рис.79а).

а) б)

Рис.79 Схема підключення тиристора до характеріографа (а), ВАХ тиристора (б)

На рис. 79а зображено схему підключення тиристора до характеріографа для зняття сімейства вольт-амперних характеристик I a = f(U a) при I y 1, I y 2 ,… .

Для спостереження на екрані ЕПТ вольт-амперних характеристик тиристора необхідно, щоб:

1) горизонтальне усунення променя ЕПТ було пропорційно анодному напрузі U a тиристора;

2) вертикальне усунення променя ЭЛТ- величині анодного струму.

З цією метою тиристор включається до схеми однополуперіодного випрямлення з діодом VD1; анодна напруга подається на гніздо X осцилографа (горизонтальне відхилення) за допомогою провідника. Резистором R 2 регулюють величини анодного струму та напруги. Резистор R 3 обмежує величину анодного струму при повністю виведеному резисторі R 2 . Для отримання напруги, пропорційного анодному струму тиристора, анодний ланцюг включають резистор R 1 . Напруга, що створюється на ньому, подають за допомогою кабелю на гніздо «®) 1 мW 50рF» осцилографа (вхід підсилювача вертикального відхилення променя). Опір резистора R 1 має бути невеликим, щоб воно практично не впливало на величину анодного струму тиристора (R 1 ~100 Om).

При замальовці осцилограм з екрану осцилографа необхідно стежити, щоб початок координат на екрані ЕПТ і графіку I a =f(U a) збігалися.

А. Масштаб по осі струму (вісь У) визначають за допомогою осцилографа. Для цього спочатку подають на вхід осцилографа «®) 1 мW 50рF» напруга, що знімається з резистора R 1 потім встановлюють ручку «Посилення» осцилографа в крайнє ліве положення. Маніпулюючи перемикач "V/cм, mV/cм", встановлюють максимальний розмір зображення по вертикалі не менше 2 см. Потім за допомогою ручок "¯" і "осциллографа" поєднують зображення сигналу з одним з поділів шкали на екрані ЕПТ і відраховують розмір зображення по вертикалі.

Масштаб напруги по осі Y m u дорівнює добутку цифрової позначки, де стоїть перемикач «V/cм, mV/cм», на позначку тумблера «10, 1».

Так, амплітуда напруги на резисторі R 1 подається на вхід осцилографа, дорівнює добутку масштабу m U на розмір y max [см] зображення по осі у (рис. 79б):

U mR 1 = m U y max. .

Масштаб струму по осі у m I дорівнює:

m I = m U / R 1 .

Б. Масштаб напруги по осі X можна визначити так: виміряти розмір x max (рис. 79б) в одній з отриманих вольт-амперних характеристик тиристора. Потім підключити вхід "®) 1 мW 50рF" осцилографа до гнізд "®) X" і "^" характеріографа; при цьому положення перемикачів осцилографа такі:

Перемикач "X, '1, '0,2" на позначці "X1";

Перемикач "Час/см" - на "2ms";

Перемикач "V/см, mV/см" - на "1V/см";

Тумблер "10, 1" - на "10".

Отримати осцилограму напруги на тиристорі, не змінюючи величину струму управління I y (рис. 80):

Знайти величину U max у вольтах:

U max =l max [см] ∙m U,

тут m U =1 ∙10=10

Ця напруга відповідає абсцисі x max (рис. 79б), отже, масштаб напруги по осі X дорівнює m Ux =U m обр /x max .

ОПИС УСТАНОВКИ

На випробувальній панелі лабораторної установки зображено схему (рис.79) для зняття вольт-амперної характеристики тиристора, звана характеріографом. Ручка управління "Рег.I y" плавно змінює величину струму управління Iy тиристора.

Осцилограф підключається до характеріографа за допомогою провідника та кабелю, які з'єднують однойменні гнізда та роз'єми «®) 1X» і «®) 1 мW 50рF» випробувальної панелі та осцилографа.

Крім того, на панелі показано схему керованого випрямляча на тиристорах (рис. 81) з блоком імпульсно-фазового управління. За допомогою змінного резистора R регулюється час надходження імпульсів напруги на керуючі електроди тиристорів. У керованому випрямлячі встановлені тиристори типу КУ-101Б з параметрами

I пр.доп = 75мА,

U зр. max = 50B, P kmax = 150мВт, I y пр = 15мА.

Мал. 81 Зображення на панелі стенда керованого випрямляча

Зовнішній виглядстенда зображено на рис. 82.

Рис.82 Передня панель стенду

ВИКОНАННЯ РОБОТИ

1 Отримати за допомогою характеріографа (рис. 79) кілька (2-3) вольт-амперних характеристик тиристора при різних довільних величинах струму управління:

I a =f(U a) при I y1 =0, I y2 , I y3 >I y2 , ….

Для цього необхідно:

Увімкнути установку, замкнувши ключ «Увімк» (на панелі праворуч);

Підключити до характеріографа осцилограф С1-68:

а) гнізда «®) 1 мW 50Рf» та «^» характеріографа з'єднати кабелем із входом «®) 1 мW 50рF» осцилографа;

б) гніздо «X» характеріографа з'єднати дротом із гніздом “X” осцилографа;

в) перемикач "X, '1, '0,2" осцилографа поставити в положення "X" (крайнє ліве положення);

г) перемикач "V/см, mV/см" встановити на позначці "2 mV/см", а тумблер "10, 1" - на "10";

д) увімкнути осцилограф за допомогою тумблера «Мережа».

Встановити струм управління I y рівним нулю (I y = 0); для цього слід встановити ручку потенціометра R рег у крайнє ліве положення; замалювати отриману криву I a =f(U a);

Встановити невеликий величини струм управління I y для чого повернути ручку потенціометра R рег на невеликий кут (за годинниковою стрілкою) і знову замалювати криву I a = f (U a) і т.д.

2 У схемі керованого випрямляча (рис. 81)

А.Зняти осцилограми випрямленої напруги на навантаженні - опору R н - при різних значенняхкута управління α;

Б.Отримати досвідченим та розрахунковим шляхом характеристику управління

випрямляча

U o =f(α),

де U o α – середнє значення випрямленої напруги на навантаженні;

α – кут управління.

Для виконання пункту 2А завдання слідує:

Підключити до випрямляча навантаження, замкнувши ключ у гілці з резистором R н;

Підключити осцилограф до навантаження Rн:

а) кабель на вході «®)1 мW 50рF» осцилографа підключити паралельно резистору Rн;

б) перемикач "X, '1, '0,2" осцилографа перевести в положення "'1";

в) перемикач «Час/см» у положенні «2mS/см»;

г) перемикач «V/см, mV/см» у положенні «2V/см»;

д) тумблер "10, 1" - в "10".

Отримати на екрані осцилограми напруги на навантаженні за різних значень кута α:

α=α min , α=π/2, α=3/4π;

Регулювання величини кута виробляється за допомогою потенціометра R в схемі блоку імпульсно-фазового управління (ІФУ); у лівому граничному положенні ручки потенціометра R кут α мінімальний і дорівнює α min ~0,4π, у правому граничному – максимальний і дорівнює ~π.

Осцилограми напруги на навантаженні намалювати на міліметровому папері, вказавши масштаби для напруги m u (положення ручки «V/см, mV/см» та тумблера «10, ´1») і для часу m t (положення перемикачів «X, ´1, ´ 0,2» і «Час/см»): m u , m t .

Визначити амплітуду напруги на навантаженні U m за осцилограмою при α=α min .

Для виконання пункту 2Б завдання необхідно виміряти постійну

складову напруги на навантаженні при різних значеннях кута:

α=α min – ліве граничне положення ручки потенціометра R;

α=π/2, α=3/4π, α~π – праве граничне положення R.

Для цього випливає:

Встановити по осцилографу заданий кут α, як зазначено у пункті виконання завдання 2А;

Підключити вольтметр В3-41 паралельно резистори Rн, відключивши осцилограф; вольтметр використовувати для вимірювання постійної складової випрямленої напруги на навантаженні Rн:

а) вхід вольтметра – гнізда «®)» та «^»;

б) перемикач діапазонів напруги (верхня шкала) «30»;

в) увімкнути прилад тумблером «Мережа».

Виміряти постійну складову напруги на навантаженні при різних значеннях кута ; результати вимірювань записати у таблиці 1;

Обчислити середнє значення випрямленої напруги на навантаженні (мал. 81) (без урахування втрат в елементах схеми) при зазначених значеннях кута α, користуючись формулою

Мал. 83

Величину U m взяти з досвіду 2А по осцилограмі u(t), при α=α min (рис. 83), результати обчислення занести до таблиці 1;

За даними таблиці 1, побудувати залежності U o α =f(α);

Порівняти досвідчені та розрахункові результати.

Таблиця 19

	a min	p/2	3p/4	~p	Примітка
U o α					Досвід
U o α					Розрахунок

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

1 Принцип роботи тиристора. Що означає напруга включення? Покажіть сімейство вольт-амперних характеристик тиристора.

2 Поясніть роботу схеми для зняття вольт-амперних характеристик тиристора.

3 Намалюйте схему двонапівперіодного випрямлення змінної напругина тиристорах; поясніть її роботу.

4 Яка форма випрямленої напруги на навантаженні у схемі двонапівперіодного випрямляча на тиристорах, якщо кут α=π/3?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

Подібна інформація.

Для регулювання вихідної напруги у ланцюгах змінного струму з випрямленням застосовують керовані випрямлячі. Поряд з іншими способами управління вихідною напругою після випрямляча, такими як ЛАТР або реостат, керований випрямляч дозволяє досягти більшого ККД при високій надійності схеми, чого не можна сказати ні про регулювання за допомогою ЛАТРа, ні про реостатне регулювання.

Використання керованих вентилів прогресивніше і набагато менш громіздко. Найкраще на роль керованих вентилів підходять тиристори.

У вихідному стані тиристор замкнений, а можливих стійких станів у нього два: закритий і відкритий (що проводить). Якщо напруга джерела вище нижньої робочої точки тиристора, то при подачі на електрод керуючий імпульсу струму, тиристор перейде в провідний стан, а наступні імпульси, що подаються на керуючий електрод ніяк не позначаться на анодному струмі, тобто ланцюг управління відповідає тільки за відкривання тиристора, але не за його замикання. Можна стверджувати, що тиристори мають значний коефіцієнт посилення за потужністю.

Для вимикання тиристора необхідно знизити його анодний струм, щоб він став меншим за струм утримання, що досягається шляхом зниження напруги живлення або збільшенням опору навантаження.

Тиристори у відкритому стані здатні проводити струми до кількох сотень ампер, але при цьому тиристори досить інерційні. Час включення тиристора становить від 100 нс до 10 мкс, а час вимкнення вдесятеро більше - від 1 мкс до 100 мкс.

Щоб тиристор працював надійно, швидкість наростання анодної напруги має перевищувати 10 - 500 в/мкс, залежно від моделі компонента, інакше може статися хибне включення з допомогою дії ємнісного струму через p-n переходи.

Щоб уникнути помилкових включень, керуючий електрод тиристора завжди шунтують резистором, опір якого зазвичай лежить в діапазоні від 51 до 1500 Ом.

Крім тиристорів для регулювання вихідної напруги у випрямлячах використовують і інші: симістори, диністори і тиристори, що замикаються. Динистори включаються за напругою, прикладеною до анода, і мають вони два електроди, як діоди.

Симистори відрізняються можливістю включення управляючими імпульсами хоч щодо анода, хоч - щодо катода, проте ці прилади, як і тиристори, вимикаються зниженням анодного струму до значення нижче струму утримання. Що стосується тиристорів, що замикаються, то вони можуть замикатися подачею на керуючий електрод струму зворотної полярності, однак коефіцієнт посилення при виключенні в десять разів нижче, ніж при включенні.

Тиристори, симістори, диністори, керовані тиристори, - всі ці прилади використовуються в джерелах живлення та в схемах автоматики для регулювання та стабілізації напруги та потужності, а також для цілей захисту.

Як правило, у схеми керованого випрямлення замість діодів ставлять саме тиристори. В однофазних мостах точка включення діода і точка включення тиристора відрізняються, має місце різниця фаз між ними, яку можна відобразити розглянувши кут.

Постійна складова напруги на навантаженні нелінійно пов'язана з цим кутом, оскільки напруга живлення спочатку синусоїдальна. Постійна складова напруги на навантаженні, підключеному після регульованого випрямляча, може бути знайдена за формулою:

Регулювальна характеристика тиристорного випрямляча керованого показує залежність вихідної напруги на навантаженні від фази (від кута) включення моста:

На навантаженні індуктивного характеру струм через тиристори матиме прямокутну форму, і при куті більше за нуль відбуватиметься затягування струму у зв'язку з дією ЕРС самоіндукції від індуктивності навантаження.

При цьому основна гармоніка струму буде зсунута щодо напруги на деякий кут. Щоб виключити затягування, застосовують нульовий діод, через який струм може замикатися і давати зсув менше в два рази по відношенню до кута включення моста.

Широке застосування тиристорів при регулюванні напруги пояснюється наступними перевагами в порівнянні з розглянутими раніше схемами:

Велика економічність внаслідок малого падіння напруги у провідному стані (близько 2);

Висока швидкість регулювання, що дозволяє забезпечити стабілізацію випрямленої напруги та здійснити захист випрямляча від перевантажень та коротких замикань;

Менша необхідна потужністьуправління;

Найменші габаритні розміри та маса.

Керовані вентилі - тиристори - можуть перебувати у двох крайніх станах (рис. 122, а): відкритому (ділянка) НД)та закритому (ділянка 0А). Момент включення тиристора можна регулювати, подаючи керуючий імпульс струму на р-п-перехід, прилеглий до катода (рис. 122, б).Струм навантаження, проходячи через відкритий тиристор, зміщує всі три

Мал. 122. Вольтамперна характеристика тиристора (а),його структура, (б)та умовне графічне позначення (в): Iу -Струм управління; А -анод; К -катод: УЕ - керуючий електрод/

Мал. 123. Структурна схема керованого випрямляча (і), принципова схема найпростішого РВБ (б) та діаграми напруг на його вході та виході (в)

його р-п-Переходу в прямому напрямку, і керуючий електрод (УЕ) втрачає вплив на процеси, що відбуваються в тиристорі. При падінні прямого струмудо нуля після розсмоктування заряду неосновних носіїв у базових областях тиристор замикається та його керуючі властивості відновлюються. Умовне графічне позначення тиристора наведено на рис. 122, в.

На рис. 123,а наведена структурна схемакерованого випрямляча на керованих вентилях.

Принциповою відмінністю схеми випрямляча (УВ), що керується, від некерованого є наявність в ній регульованого вентильного блоку (РВБ) і пристрою управління (УУ), що регулює напругу мережі. Найпростіша схемаРВБ на одному тиристорі VSнаведено на рис. 123, б.Слід нагадати, що для включення тиристора необхідне виконання наступних умов: напруга на його аноді має бути позитивною, але меншою. UПР.ВКЛ. , а до керуючого електрода (УЕ) має бути додана позитивна напруга, що відповідає відпираючому струму. Перша умова виконується для позитивних напівхвиль напруги. U 2 , а для виконання другої умови до керуючого електрода тиристора підводиться відмикаючий (керуючий) позитивний імпульс напруги U y.

У момент приходу керуючого імпульсу, що відповідає куту відмикання а, тиристор втрачає керуючі властивості, тому коли напруга на аноді стане рівним нулю, відбудеться його вимкнення. Форма напруги на резистивному навантаженні R H без фільтра показано на рис. 123, в.Момент включення тиристора

Можна регулювати в межах позитивної напівхвилі вихідної напруги U 2трансформатора, тобто. у діапазоні 0 ≤α≤π. При цьому якщо тиристор включається при α = 0, то середня випрямлена напруга навантаження UН.С.В. =0. Такий спосіб керування тиристором називається фазоімпульсним.

У розглянутій схемі керованого випрямляча пульсації напруги навантаження досить великі, тому для їх зменшення необхідно включити фільтр, що згладжує. Слід зазначити, що в тиристорних керованих випрямлячах використовують фільтри, що починаються з дроселя, так як при підключенні відразу ємнісного фільтра заряд конденсатора через тиристор, що відкрився, може супроводжуватися великим струмом, який може вивести тиристор із ладу.

Розглянемо роботу схеми двофазного керованого випрямляча (рис.124, а)з індуктивно-ємнісним фільтром. У цій схемі можливі два режими роботи: без блокувального діода (VD)та з блокувальним діодом. Відмінність цих режимів полягає у способі вимикання тиристорів.

Мал. 124. Схема двофазного керованого випрямляча (а), тимчасові діаграми напруг на вході та виході (б)та регулювальні криві (в 1 -без діода VD; 2 - за наявності діода VD.

Робота випрямляча без блокувального діода відбувається в такий спосіб. З надходженням керуючого імпульсу тиристор VS1включається з кутом відмикання α. На вихід випрямляча передається напруга першої фази вторинної обмотки U" 2 . При t ≥ пнапруга U" 2змінює полярність на негативну, але тиристор VS1не закривається, тому що через нього проходить струм дроселя фільтра Lф, та напруга самоіндукції забезпечує його відкритий стан.

При t =α + пвключається тиристор VS2,який передає на вихід напругу U" 2другий фази вторинної обмотки, У цьому випадку струм дроселя фільтра Lф перемикається на другу фазу, а тиристор VS1закривається. Напруги на виході випрямляча U oта навантаженні U H показано на рис. 124, б(Заштриховані області).

При досить великому значенні Lф = R H /ωкут включення тиристорів можна регулювати від нуля до π/2, як показано на рис. 124, в(крива 1прі L=∞).

Напруга навантаження зростає зі зменшенням кута і зменшується при його збільшенні.

При роботі випрямляча з блокувальним діодом VDтиристори VS 1і VS 2 вимикаються, коли напруга з його аноді стає рівним нулю. При цьому перебіг струму в дроселі фільтра не переривається через включення діода VD.

В результаті частина періоду від πдо π+ α струм у дроселі (а значить, і в навантаженні) проходить через діод VD,та напруга на виході випрямляча не змінює полярності, як показано на рис. 124, б.

Кут α відмикання тиристора у схемі з діодом VDможна регулювати від нуля до π, як показано на рис. 124, в(крива 2 при L = 0).

При однаковому куті відмикання тиристорів у схемі без блокувального діода напруга на навантаженні менша, ніж у схемі з блокувальним діодом, так як протягом частини періоду повторення вхідної напруги на його вихід передається негативна напруга.

Мостовий керований випрямляч.Мостовий випрямляч можна побудувати з меншим (ніж чотири) числом тиристорів, тому що для забезпечення управління достатньо включити в кожну з двох послідовних кіл, Що складаються з двох діодів, один діод керований, а інший - некерований (рис. 125, а),Застосування двох керованих діодів замість чотирьох (див. рис. 124) дозволяє спростити схему управління та здешевити вартість вентильної групи.

Розглянемо роботу схеми мостового випрямляча, де одночасно працюють тиристор VS1та вентиль VD2або тиристор VS2та вентиль VD 1. Тимчасові діаграми напруг і то-

Мал. 125. Мостова схема керованого випрямляча (а)та часові діаграми напруг і струмів у цій схемі (б)

ків при роботі такої схеми на індуктивне навантаження показано на рис. 125, 6.

У момент часу t 1на керуючий електрод тиристора VS 1подається імпульс керування, що відкриває його. В інтервалі часу від t 1 до t 2ток протікає через тиристор VS 1і вентиль VD.і напруга на виході випрямляча повторює вхідну напругу U 2. У момент часу t 3 напруга U 2змінює свою полярність, і вентиль VD 2 замикається, а вентиль VD 1відкривається. Перемикання тиристорів у цей момент часу відбутися не може, тому що на електрод керуючий тиристора VS2не надходить імпульс керування. У результаті протягом періоду часу від t 2до t 3 відкриті тиристор VS 1і вентиль VD2і крізь них протікає струм навантаження I 0 .

Випрямлена напруга U 0у цьому інтервалі часу дорівнює нулю (оскільки вихід випрямляча закорочен), а струм навантаження підтримується за рахунок енергії, запасеної в дроселі L.У момент часу t 3за рахунок керуючого імпульсу відкривається тиристор VS2,а тиристор VS 1 замикається, тому що на нього при цьому подається зворотна напруга.

В інтервалі часу від t 3до t 4ток проводять і тиристор VS 2, та вентиль VD 1, а напруга на виході випрямляча U 0 аналогічно до вхідної напруги U 2, але з протилежним знаком,

У момент часу U знову відбувається комутація струму групи некерованих вентилів: замикається вентиль VD1 і відкривається вентиль VD2.

В інтервалі часу від t4 до t5 тиристор VS2 і вентиль VD1 відкриті, напруга на виході випрямляча U0 = 0, а струм навантаження Iо підтримується незмінним за рахунок енергії, запасеної в дроселі. В інтервалі часу від t5 до t6 процеси ідентичні процесам в інтервалі від t1 до t2.

Як видно із рис. 125 б, тимчасова діаграма випрямленої напруги U0 в цій схемі така ж, як і в схемі випрямляча з активним навантаженням.

ПРИСТРОЇ ЗАХИСТУ ВІД ПЕРЕВАНТАЖОК

Вторинні джерела живлення часто забезпечують пристроями електронного захисту (УЗ) від перевантаження короткого замикання. Такі пристрої включають наступні елементи: датчик контрольованої величини (струму, напруги або температури); поріговий пристрій (ПУ) або схему порівняння; виконавчий устрій (ІУ). Найчастіше потрібний захист джерел живлення від навантаження. У цьому випадку, коли значення струму перевищить допустиме, включається поріговий пристрій і приводить виконавчий механізм стан відключення навантаження.

Пристрої захисту виконуються з автоматичним ввімкненням живлення після деякого часу або з обмеженням потужності, що віддається навантаженню.

Схема пристрою захисту від перевантажень струмом (і споживаної потужності) показана на рис. 126. Пристрій працює в такий спосіб. Напруга з вторинної обмотки трансформатора струму ТА,використовуваного як перетворювач струму, випрямляється діодом VD1і згладжується фільтром R 7, З 1.Змінний резистор R1використовується для регулювання порога спрацьовування. Як пороговий пристрій використовується логічний елемент DD1.1,виконаний за КМОП-технологією. Рівні спрацьовування таких елементів стабільні та близькі до половини напруги живлення мікросхеми. При підвищеному струмі навантаження після спрацьовування елемента DDL]запускається мультивібратор, що чекає, на основі логічних елементів DD1.2і DD1.3(одно-вібратор), який формує негативну вихідну напругу, що відключає (або замикає) ланцюг живлення навантаження. Через деякий час, що визначається часом розряду конденсатора С2через резистор R3,одновібратор перемикається у вихідне (очікує) стан з формуванням на виході стрибка позитивної напруги. Ця напруга відповідає сигналу увімкнення живлення навантаження або відновлення нормального робочого стану джерела живлення.

Мал. 126. Електрична схемапристрої захисту від перевантажень струму з автоматичним відновленням робочого стану джерела живлення

Аналогічно працюють пристрої захисту підвищення напруги і температури, тобто. при стрибку температури чи напруги відповідний сигнал подається на логічний елемент DD1.1,який запускає одновібратор, що відключає живлення на певний час.

На закінчення слід зазначити, що вибір схеми вторинного джерела живлення та параметрів

її елементів визначається рівнем вимог до коефіцієнта стабілізації напруги та потужністю, необхідною для живлення електронної апаратури. Для дуже потужної апаратури (1...100 кВт - звукова апаратура концертних залів, радіостанції тощо), а також на транспортних засобах з керованим приводом вимоги до стабільності напруги нижче. У них використовуються потужні випрямні установки для трифазної напругиз використанням тиристорів.