Андрій Шарий, Чернігівська обл, с.Кувечічі. E-mail andr (at) chspu.edu.ua
У радіоаматорського практиці досить часто доводиться стикатися з проблемою комутації мережевого змінної напруги. Раніше для включення і виключення мережевого навантаження використовувалися електромагнітні реле, але як показав час - це не найнадійніший спосіб: контакти реле дуже схильні до зносу, особливо при використанні в ланцюгах змінного струму і особливо з індуктивним навантаженням. Тим більше, для включення потужних споживачів потрібні великогабаритні реле з істотним керуючим струмом в обмотці.
На щастя, сучасна елементна база дозволяє обійтися тільки напівпровідниковими приладами, не використовуючи електро-механічних. Отже, різноманітні мережеві навантаження дуже зручно коммутировать за допомогою сімісторов. Ці напівпровідникові прилади дозволяють під дією керуючих потужностей близько 40-50 мВт коммутировать мережеву навантаження до десятків кіловат (в залежності від типу приладу). Далі розглянемо найбільш зручні схемотехнічні рішення управління симисторами. Загальні принципи управління симистором приблизно такі ж, як і для звичайних тиристорів: якщо через керуючий електрод в катод тиристора протікає постійний струм величиною одиниці-десятки міліампер, то як тільки між анодом і катодом тиристора виникне різниця потенціалів близько 1.2-1.5В, він відкривається і перебуває у відкритому стані до тих пір, поки струм через нього не зменшитися практично до нуля (точніше до струму утримання).
Симистор відкрити трохи складніше, тому що полярність напруги, що управляє щодо "катода» (не сполученого з корпусом виведення) повинна бути такою ж, як і полярність напруги на аноді (корпусі) приладу. Отже, якщо симистор використовується для комутації змінного напруги, то управляючий пристрій має вміти видавати змінне напруга, що управляє, що при використанні керуючих пристроїв на логічних ІМС досить проблематично. Один з варіантів вирішення цієї проблеми - використання оптрона. Струм через світлодіод оптрона може бути весь час одного і того ж напрямку, а напрямок струму через фоторезистор буде змінюватися при кожному напівперіод мережевої напруги, забезпечуючи відкривання симистора. Якщо ж оптрон доданий або транзисторний, то їх треба використовувати два для управління одним симистором.
Малюнок 1. Управління симистором за допомогою оптрона.
Не можу не згадати також про Оптотиристори. В одному корпусі знаходиться тиристор і світлодіод. Але, на жаль, оптросімісторов чомусь не роблять, але ж це фактично "буржуазне" твердотельное реле - ідеальний прилад для комутації напруги. Отже, використовуючи Оптотиристори теж досить легко можна комутувати до мережевої напруги (Рис.2)
Малюнок 2. Комутація напруги з використанням оптотірісторов.
Сімістором можна управляти і імпульсами: керуюча напруга присутня на керуючому електроді тільки 5-50 мкс, в момент початку зростання напруги після проходження через 0. Більш того, змінюючи часове положення керуючого імпульсу в межах 0-10 мс щодо початку кожного напівперіоду можна регулювати потужність , що віддається в навантаження в межах від 100 до 0 відсотків. Імпульсне керування дозволяє також зробити пристрій управління більш економічним, а застосування при цьому ще і імпульсних трансформаторів дозволить гальванически розв'язати мережу і пристрій управління. Застосування трансформаторів має ще одну перевагу: за рахунок кидків самоіндукції під дією однополярного імпульсу формується короткий пакет швидко згасаючих різнополярних, природно, коливань, легко відкривають будь симистор. Якщо конструюються пристрій не призначений для регулювання потужності, а має тільки вмикати / вимикати мережеву навантаження, то керуючі імпульси можна і не виконувати синхронізацію з проходженням напруги через 0. Досить тільки подавати їх на керуючий електрод сімістора з досить високою частотою, щоб при найнесприятливіших умовах напруга на закритому сімісторов не встигало зрости більш ніж до декількох вольт до приходу керуючого імпульсу. При такому способі управління, як не дивно, рівень перешкод наводяться в мережу, значно менше, ніж при синхронізований управлінні. Практична схема ключа напруги, де використаний описаний вище принцип подана на малюнку 3.
Малюнок 3. Принципова схема сімісторного вимикача з імпульсним керуванням.
Трансформатор T1 виконується на феритових кільцях 1000-2000 НМ розміром К10 * 6 * 4 і містить дві однакові обмотки приблизно по 50 витків кожна. Провід для намотування в емалевої ізоляції діаметром 0.1-0. 2 мм. Взаємна ізоляція обмоток дуже ретельна! Фазировка обмоток байдужа, так як завдяки діоду VD2 на вторинній обмотці наводяться різнополярні імпульси. Підбираючи резистор R2 регулюють тривалість імпульсу. Чим вона менша, тим менше струм споживання керуючого пристрою, але при дуже короткому імпульсі не всі тиристори встигають відкриватися, тому, якщо потрібна підвищена економічність, R2 доведеться підбирати на кордоні чіткого відкривання симистора. Можна домогтися зниження споживаного системою управління струму менше 10 мА, що дуже зручно в разі застосування джерел живлення з ємнісним баластом.
Використовуючи показану на рис.3 схему управління мережеву навантаження можна включати і за допомогою пари звичайних тиристорів, треба тільки трансформатор доповнити ще однією такою ж обмоткою, а симистор замінити тиристорами, як на малюнку 4. Можна також застосувати один тиристор, але включити його в діагональ діодного моста відповідної потужності.
Малюнок 4. Заміна симистора.
Зараз для радіоаматорів стали доступні багато електронні компоненти закордонного виробництва. Є серед них і сімістори, прекрасно підходять для включення / вимикання мережевих навантажень. Найбільш доступними і поширеними на сьогодні є сімістори (triacs) виробництва Philips типів BT134-500 і BT136-500. Ці прилади виконані в пластмасових корпусах: BT134 - як у транзисторів КТ815, але без отвору, а BT136 - як у транзисторів КТ805, з кріпильним фланцем. За відомостями продавців BT134 розрахований на струм 6А, а BT136 - 12А, але на багатьох сайтах можна побачити, що обидва симистора розраховані на силу струму не більше 4А і витримують напругу 500 В в закритому стані. На жаль, автор не зміг переглянути документацію з сайту Philips, так як там все документи PDF, а переглядача для останніх версій під ДОС немає. Відмінною особливістю названих сімісторов є не стільки їх малі розміри (такі ж корпусу мають вітчизняні ТС106-10 -... в пластмасі), скільки спосіб управління ними: ці сімістори відкриваються керуючою напругою негативної по відношенню до "катода" полярності при будь-якому напрямку струму через симистор. А це дозволяє відмовитися від застосування оптронів і узгоджувальних імпульсних трансформаторів. Практична схема вимикача разом з конденсаторним блоком живлення показана на малюнку 5.
Малюнок 5. Принципова схема вимикача з використанням імпортних сімісторов.
Струм споживання пристрою управління в "вимкненому" стані - 1.2 мА, а в "включеному" - 5 мА, що дозволило застосувати в блоці живлення зовсім маленький конденсатор 0.2 мкФ 400 В. Пристрій (рис.5) - це фактично основа для багатьох електронних пристроїв, адже на трьох вільних логічних елементах DD1 можна зібрати багато цікавих речей. На малюнку 6 (a) показана схема мигалки, 6 (b) - фотореле, 6 (с) - автомата для включення / вимикання насоса при торканні сенсора E1 поверхні води, 6 (d) - реле часу. Досить нескладно реалізувати сенсорний вимикач (рис.7).
Малюнок 6. Конструкції на логічних елементах ІМС К561ТЛ1.
Малюнок 7. Принципова схема сенсорного вимикача.
Правда, при побудові на логічних елементах генераторів, при використанні світлової індикації споживаний струм може зрости, і тоді ємність С1 доведеться збільшувати. Необхідну ємність підібрати досить просто: у всіх робочих режимах пристрої вимірюють струм через стабілітрон, він повинен бути не менше 1-2 мА і не більше 30 мА. Найбільш часто ємність С1 використовується 0.47 або 0.68 мкФ * 400В. Потужність навантаження, комутованою пристроями, розглянутими в цій статті, залежить тільки від типу симистора (тиристорів) і товщини проводів :-) див. Таблицю 1.
Таблиця 1. Допустима потужність навантаження для різних типів сімісторов і тиристорів. 
У таблиці також дані орієнтовні розміри теплоотводов. Взагалі, з огляду на падіння напруги на відкритому сімісторов, що дорівнює приблизно 1 В, можна вважати, що потужність, що розсіюється на сімісторов чисельно дорівнює току, що проходить через нього. Для розсіювання такої потужності потрібен тепловідвід такої ж площі, як квадратна пластина, зі стороною, чисельно рівної в сантиметрах розсіюється. У статті не наводяться дані і схеми стосуються використання сімісторов КУ208Г. Це не випадково, так як ці сімістори показали себе з найгіршої сторони і надійно не працювали ні в одному пристрої. Багато зразків КУ208Г різних років випусків мали неприпустимо великий струм в закритому стані, і після тривалого перебування під напругою саме в закритому стані сильно розігрівалися і після наступав пробою. Може їх якось по особливому включати треба? Вважаю своїм обов'язком також нагадати радіоаматорам про електробезпеки, так як багато хто з наведених схем мають гальванічний зв'язок з мережею! Не випробовуйте долю і відключайте від мережі пристрою, перш ніж лізти в них з паяльником.
Література.
- Замятін В. Тиристори // На допомогу радіоаматори: Збірник. Вип. 110 с. 49
- http://www.semiconductors.philips.com/acrobat/datasheets/BT134_SERIES_1.pdf
Велике прохання: про результати повторення повідомляти про результати повторення автору andr (at) chspu.edu.ua
