Как подобрать симистор по мощности
Мощный симисторный регулятор мощности
Здравствуй мой дорогой читатель. Сегодня я хочу рассказать про нюансы мощных симисторных регуляторов мощности, которые заполонили наш рынок. Теперь так называемые диммеры продают даже в отделах продажи дистилляторов, для регулировки температуры нагрева материала в перегонных аппаратах.
Схема мощного симисторного регулятора мощности
Внесу немного ясности о схеме. Схема симисторного регулятора мощности является типичной и в нее может быть включен любой, подходящий вам по параметрам симистор серии BTA, например BTA06-600, BTA16-600 и так далее. Номиналы элементов при этом пересчитывать не нужно. Работу схемы я описывал в статье «Диммер своими руками», и сейчас немного поговорим о другом.
В качестве полупроводника я применил BTA41-600 и мог бы заявить вам, что регулятор мощности рассчитан на 8.5кВт, как это делают большинство продавцов. Да, симистор BTA41-600 рассчитан на максимальный средний ток 40А. Но, во-первых, должен быть запас по току, а во-вторых не только от параметров симистора зависит мощность собранного устройства. От чего же еще может зависеть мощность диммера?
В первую очередь от запаса тока симистора. Для меня это примерно 30% запас. Разница по цене будет несущественной.
Вот пример симисторного регулятора из Китая. Продавец утверждает, что его мощность достигает 4кВт.
Сфотографировано так близко, чтобы выполнить обман зрения и внушить большие размеры теплоотвода. Если вы представляете, что такое 4000Вт, то подумайте, какое сечение провода нам необходимо для пропускания через себя тока 18А. Нет, конечно, если такой диммер включить на 30 секунд, то он может и выдержит, но обычно нагрузкой служат мощные лампы или ТЭН, которые работают часами. Теперь посмотрите ширину дорожек печатной платы этого самого китайского диммера.
Да не выдержат они 4кВт долговременно, будут до ужаса греться даже на 3кВт, а потом перегорят. Поэтому вторым критерием является сечение проводов и дорожек печатной платы. Чем шире и толще, тем лучше. И чем короче они, тем также лучше. В обязательном порядке необходимо их лудить оловом или паять вдоль дорог медную жилу.
Для сведения, медный провод сечением 2.5мм 2 рассчитан на максимальный долговременный ток 27А. Из своего опыта скажу, что при использовании такого провода на нагрузке 3000Вт (ток 14А) в течение 1 часа, он хорошо нагревается. Но это нормально. А уже при 27А изоляция такого провода будет плавиться.
Еще, при такой мощности (3000Вт и более) я отказываюсь от всяких разъемов, зажимных клемм и стараюсь все провода паять сразу к печатной плате. Так как все эти клеммы и разъемы являются уязвимым местом, чуть контакт ослаб и происходит нагрев, а дальше обгорание проводов.
Третий критерий мощного регулятора это теплоотвод. Однажды я выполнял измерение температуры теплоотвода площадью 200см 2 при эксплуатации диммера на нагрузку 1кВт в течение 5 часов. Температура достигла 90 0 С. Для отвода тепла при эксплуатации на мощности 3кВт понадобится радиатор с внушительной площадью поверхности, если мы говорим про долговременную работу. Иначе получим настоящую печь.
Рекомендую в качестве теплоотвода использовать радиатор с вентилятором от ПК, даже небольшой такой теплоотвод с принудительным охлаждением дает отличный результат на мощности 4кВт.
Китайский радиатор, на мощности 4000Вт позволит лишь регулятору не выйти из строя за ближайшие минуты.
Также и наши продавцы, закупая диммеры в Китае, заявляют мощность, которую они долговременно регулировать не могут.
Множество видео роликов про регуляторы мощности имеется на одном из известных видео порталов. Практически все блоггеры демонстрируют их тест на лампах накаливания. Лампа накаливания 60-80Вт может работать через наше устройство без радиатора, это и я проверял. А вот на мощности 1000Вт и выше рисуется совсем другая картина.
Существуют вентиляторы на разное питающее напряжение, в продаже есть вентиляторы и с напряжением питания 220В переменного тока. У меня же напряжение питания 12В постоянного тока. И в качестве источника я применил небольшой импульсный блок питания 12В 1А.
О стеклянном предохранителе. Не советую. На заднюю панель регулятора мощности вывел держатель предохранителя с колпачком. Предохранитель установил на 15А, нагрузка составляла 3000Вт.
Это было что-то. Грелся весь узел, не притронуться рукой. Поэтому, вместо стеклянных предохранителей устанавливайте автоматический выключатель. Например, если нагрузка 3кВт, то выключатель на 16А.
Корпус диммера я использовал из пластмассы. Для удобства я установил на корпус розетку с керамической вставкой на 16 Ампер.
Также я добавил еще один переменный резистор на 50кОм для более точной (плавной) подстройки.
Вентилятор, розетку и импульсный блок питания я прикрепил к корпусу винтами М3 и гайками, не забыв и про шайбы. В теплоотводе я выполнил отверстия и нарезал резьбу для крепления к нему симистора BTA41-600, а также отверстия с резьбой для крепления самого теплоотвода к корпусу. Как нарезать резьбу в радиаторе я описывал в статье «Нарезаем резьбу в радиаторе усилителя НЧ».
Вилка регулятора рассчитана на ток 16 Ампер. Ее провода припаяны напрямую к печатной плате, миную разъемы и клеммы.
Выводы симистора, при его монтаже, рекомендуется делать как можно короче.
Вывод.
Чтобы собрать мощный симисторный регулятор мощности, помимо выбора параметров симистора необходимо учесть такие конструктивные особенности, как ширина и толщина дорожек печатной платы, сечение соединительных проводов, замена разъемов и клемм пайкой, площадь поверхности теплоотвода, номинальная мощность вилок и розеток. Ведь для регулятора мощности 6кВт (27А) нужны совсем другие розетки, вилки, провода и так далее…
Печатная плата регулятора мощности СКАЧАТЬ
Как подобрать симистор по мощности
Все полупроводниковые приборы основаны на переходах, и если трехпереходный прибор — это тиристор, то два трехпереходных прибора, включенных встречно-параллельно внутри одного общего корпуса, — это уже симистор, то есть симметричный тиристор. В англоязычной литературе он именуется «TRIAC» – триод для переменного тока.
Так или иначе, у симистора есть три вывода, два из которых силовые, а третий — управляющий или затвор (англ. GATE). При этом у симистора нет конкретных анода и катода, ибо каждый из силовых электродов в разные моменты времени может выступать как в роли анода, так и в роли катода.
В силу этих особенностей симисторы весьма широко применяются в цепях переменного тока. Кроме того, симисторы недорого стоят, имеют продолжительный строк службы, и не вызывают искрения, по сравнению с механическими коммутационными реле, чем и обеспечивают себе неугасающую востребованность.
Давайте же рассмотрим основные характеристики, то есть основные технические параметры симисторов, и разъясним, что каждый из них обозначает. Рассматривать будем на примере довольно распространенного симистора BT139-800, часто применяемого в разного рода регуляторах. Итак, основные характеристики симистора:
Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;
Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии;
Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии;
Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии;
Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора;
Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току;
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии;
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии;
Рабочий диапазон температур;
Для нашего примера оно составляет 800 вольт. Это то напряжение, которое будучи приложено к силовым электродам симистора теоретически еще не вызовет его выхода из строя. Практически же это максимально допустимое рабочее напряжение для коммутируемой данным симистором цепи, в условиях рабочей температуры, попадающей в допустимый температурный диапазон.
Даже кратковременное превышение этого значения не гарантирует дальнейшей работоспособности полупроводникового прибора. Следующий параметр пояснит данное положение.
Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии
Данный параметр всегда указывается в документации, и обозначает он как раз критическое значение напряжения, являющееся предельным для данного симистора.
Это то напряжение, которое в пике нельзя превышать. Даже если симистор закрыт и не открывается, будучи установлен в цепи с постоянно действующим переменным напряжением, симистор не будет пробит, если амплитуда прикладываемого напряжения не превышает для нашего примера 800 вольт.
Если же к запертому симистору окажется приложено напряжение хоть чуть-чуть выше, хоть на долю периода переменного напряжения, его дальнейшая работоспособность производителем не гарантируется. Данное положение опять же относится к условиям допустимого температурного диапазона.
Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии
Так называемый максимальный среднеквадратичный (RMS — root mean square) ток, для тока синусоидальной формы это его среднее значение, в условиях приемлемой рабочей температуры симистора. Для нашего примера это максимум 16 ампер при температуре симистора до 100 °C. Пиковый ток может быть и выше, об этом сообщает следующий параметр.
Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии
Это пиковый ток, который указывается в документации на симистор обязательно с приведением максимально допустимой продолжительности действия тока данной величины в миллисекундах. Для нашего примера это 155 ампер в течение максимум 20 мс, что означает практически, что время действия такого большого тока должно быть еще меньше.
Обратите внимание, что среднеквадратичный ток по прежнему не должен быть превышен ни при каких условиях. Это связано с максимальной рассеиваемой корпусом симистора мощностью и с максимально допустимой температурой кристалла менее 125 °C.
Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии
Данный параметр указывает на максимальное напряжение (для нашего примера оно составляет 1,6 вольт), которое установится между силовыми электродами симистора в открытом состоянии, при указанном в документации токе в его рабочей цепи (для нашего примера — при токе в 20 ампер). Обычно чем выше ток — тем больше падение напряжения на симисторе.
Данная характеристика необходима при тепловых расчетах, ибо она косвенно сообщает разработчику о максимальной потенциальной величине рассеиваемой корпусом симистора мощности, что важно при подборе радиатора. Также с ее помощью предоставляется возможность оценить эквивалентное сопротивление симистора в заданных температурных условиях.
Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора
Минимальный ток управляющего электрода симистора, измеряется в миллиамперах, зависит от полярности включения симистора в текущий момент времени, а так же от полярности управляющего напряжения.
Для нашего примера данный ток лежит в диапазоне от 5 до 22 мА в зависимости от полярности напряжения в управляемой симистором цепи. При разработке схемы управления симистором лучше приблизить величину управляющего тока к максимальному значению, для нашего примера это 35 или 70 мА (в зависимости от полярности).
Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току
Чтобы установить минимальный ток в цепи управляющего электрода симистора, необходимо к этому электроду приложить определенное напряжение. Оно зависит от напряжения, приложенного в данный момент в силовой цепи симистора, а еще от температуры симистора.
Так, для нашего примера, при напряжении 12 вольт в силовой цепи, для гарантированной установки тока управления в 100 мА, необходимо приложить минимум 1,5 вольт. А при температуре кристалла в 100 °C, при напряжении в рабочей цепи 400 вольт, требуемое для цепи управления напряжение составит 0,4 вольта.
Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии
Данный параметр измеряется в вольтах за микросекунду. Для нашего примера критическая скорость нарастания напряжения на силовых электродах составляет 250 вольт за микросекунду. Если эту скорость превысить, то симистор может ошибочно открыться невпопад даже без подачи на его управляющий электрод какого-либо управляющего напряжения.
Чтобы этого не случилось, необходимо обеспечить такие рабочие условия, чтобы напряжение на аноде (катоде) изменялось медленнее, а также исключить любые помехи, динамика которых превышает данный параметр (всякие импульсные помехи и т.д).
Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии
Измеряется в амперах за микросекунду. Если превысить эту скорость, то симистор будет пробит. Для нашего примера максимальная скорость нарастания тока в открытом состоянии составляет 50 ампер за микросекунду.
Для нашего примера это время составляет 2 микросекунды. Это то время, которое проходит от момента достижения током затвора 10% его пикового значения до момента, когда напряжение между анодом и катодом симистора упало до 10% его первоначального значения.
Рабочий диапазон температур
В нашем примере корпус to220ab, он удобен тем, что допускает крепление симистора к небольшому радиатору. Для тепловых расчетов в документации на симистор приводится таблица зависимости рассеиваемой мощности от среднего тока симистора.
Полупроводниковый прибор, имеющий 5 p-n переходов и способный пропускать ток в прямом и обратном направлениях, называется симистором. Из-за неспособности работы на высоких частотах переменного тока, высокой чувствительности к электромагнитным помехам и значительного тепловыделения при коммутации больших нагрузок, в настоящее время широкого применения в мощных промышленных установках они не имеют.
Сегодня схемы на симисторах можно найти во многих бытовых приборах от фена до пылесоса, ручном электроинструменте и электронагревательных устройствах – там, где требуется плавная регулировка мощности.
Принцип работы
Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.
Делаем своими руками
На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.
Схема прибора
Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный.
Основные компоненты:
Ток, протекающий через потенциометр R2 и сопротивление R3, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.
Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2.
Дополнительная цепь из диодов VD1 и VD2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.
Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт.
Используемые элементы:
Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору.
Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.
Схема симисторного регулятора мощности
Сборка
Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:
Симисторный радиатор мощности
Регулировка мощности
За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.
Полупроводниковый прибор, имеющий 5 p-n переходов и способный пропускать ток в прямом и обратном направлениях, называется симистором. Из-за неспособности работы на высоких частотах переменного тока, высокой чувствительности к электромагнитным помехам и значительного тепловыделения при коммутации больших нагрузок, в настоящее время широкого применения в мощных промышленных установках они не имеют.
Сегодня схемы на симисторах можно найти во многих бытовых приборах от фена до пылесоса, ручном электроинструменте и электронагревательных устройствах – там, где требуется плавная регулировка мощности.
Принцип работы
Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.
Делаем своими руками
На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.
Схема прибора
Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный.
Основные компоненты:
Ток, протекающий через потенциометр R2 и сопротивление R3, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.
Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2.
Дополнительная цепь из диодов VD1 и VD2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.
Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт.
Используемые элементы:
Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору.
Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.
Схема симисторного регулятора мощности
Сборка
Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:
Симисторный радиатор мощности
Регулировка мощности
За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.
Как сделать регулятор мощности на симисторе своими руками: варианты схем
Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.
Принцип работы регулятора на симисторе
Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.
Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.
Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.
Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.
Форма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%
При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.
Варианты схем регулятора
Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.
Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В
Обозначения:
При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.
Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.
К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.
Схема регулятора с обратной связью
Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:
Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.
Регулятор мощности с обратной связью
Обозначения:
Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):
Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.
Таблица для подбора номиналов сопротивлений в зависимости от мощности двигателя
Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.
Регулятор для индуктивной нагрузки
Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.
Существует два варианта решения проблемы:
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Схема регулятора мощности для индуктивной нагрузки
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
Осциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности
Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.
Простой регулятор мощности на симисторе своими руками
В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.
Самодельный регулятор мощности
Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.