коммутирующее устройство для фазового регулирования мощности

Формула изобретения

Коммутирующее устройство для фазового регулирования мощности в нагрузке, содержащее триак, подключенный выводами анода и катода последовательно с нагрузкой к сети переменного напряжения, кремниевый двунаправленный ключ, конденсатор, к первому выводу которого подсоединен первый вывод переменного резистора, второй вывод которого подключен к аноду триака или К сети переменного напряжения, второй вывод конденсатора подсоединен к катоду триака, первый анод кремниевого двунаправленного ключа подключен к управляющему электроду триака, второй анод - к первому выводу конденсатора, содержащее также ограничительный резистор, первый и второй диоды, первый вывод первого диода соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод ограничительного резистора подсоединен к второму выводу переменного резистора, второй вывод первого диода подключен к управляющему электроду кремниевого двунаправленного ключа, катод второго диода подсоединен к первому выводу первого диода, отличающееся тем, что первый диод включен так, что его катод подключен к управляющему электроду кремниевого двунаправленного ключа, а анод второго диода подключен к управляющему электроду триака или через дополнительный резистор к катоду триака.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к коммутирующим устройствам для фазового регулирования мощности с применением симметричных тиристоров (триаков).

Известно коммутирующее устройство [1], (а также его варианты [2]), являющееся наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату), применяемое для регулирования фазового угла включения нагрузки, содержащее: триак, подключенный выводами анода и катода последовательно с нагрузкой к сети переменного напряжения, кремниевый двунаправленный ключ, конденсатор, к первому выводу которого подсоединен первый вывод переменного резистора или первый вывод цепи из последовательно соединенных переменного резистора и первого постоянного резистора, второй вывод переменного резистора или второй вывод цепи из последовательно соединенных переменного резистора и первого постоянного резистора подключен к аноду триака или к сети переменного напряжения, второй вывод конденсатора подсоединен к катоду триака, первый анод кремниевого двунаправленного ключа подключен к управляющему электроду триака, второй анод - к первому выводу конденсатора, содержащее также ограничительный резистор, первый и второй диоды, первый вывод первого диода соединен с первым выводом ограничительного резистора, второй вывод ограничительного резистора подсоединен к второму выводу переменного резистора или к второму выводу цепи из последовательно соединенных переменного резистора и первого постоянного резистора, второй вывод первого диода подключен к управляющему электроду кремниевого двунаправленного ключа, катод второго диода подсоединен к первому выводу первого диода.

Недостатком известного устройства является необходимость применения в устройстве высоковольтных диодов, что ограничивает возможность его изготовления методами поверхностного монтажа. Кроме того, в известном устройстве при установке переменного резистора в положение максимального сопротивления, обеспечивающем минимальную мощность в нагрузке, повышено тепловыделение, т. к. сопротивление ограничительного резистора должно выбираться не более нескольких десятков килоом, чтобы обеспечить разряд конденсатора в моменты спада напряжения сети до нулевого значения.

Указанные недостатки устраняются благодаря тому, что первый диод включен таким образом, что его катод подключен к управляющему электроду кремниевого двунаправленного ключа, а анод второго диода подключен к управляющему электроду триака или через дополнительный резистор к катоду триака.

Такое включение диодов изменяет сущность процессов, происходящих в устройстве. Если в известной схеме [1] положительно заряженный конденсатор разряжался при спаде положительного напряжения сети, то в предложенном устройстве, напротив, отрицательно заряженный конденсатор перезаряжается при нарастании положительного напряжения в сети. При этом приложение положительного напряжения к диодам в непроводящем направлении исключаются и в схеме могут использоваться низковольтные диоды, а величина ограничительного резистора может достигать нескольких сотен килоом, т.к. указанный процесс происходит не вблизи перехода напряжения через нулевое значение, а в течение всего положительного полупериода сетевого напряжения. Это позволяет также уменьшить тепловыделение в устройстве.

Схема предлагаемого устройства показана на чертеже.

Приняты следующие условные обозначения:

1 - триак,

2 - нагрузка,

3, 4 - клеммы сети переменного напряжения,

5 - кремниевый двунаправленный ключ (КДК),

6 - первый резистор,

7 - переменный резистор,

8 - конденсатор,

9 - дополнительный резистор,

10 - первый диод,

11 - второй диод,

12 - ограничительный резистор.

Возможны эквивалентные варианты схемы, при которых резистор 6 подключен не к аноду триака 1, а к клемме сети 3. Нагрузка 2 может быть включена как в цепь анода триака 1, так и в цепь катода. Второй вывод резистора 12 может быть подключен к точке соединения резисторов 6 и 7 или к клемме сети 3.

Возможен также эквивалентный вариант подключения анода диода 11 через резистор 9 к катоду триака 1. Управляющий электрод триака 1 в этом случае соединен только с первым анодом кремниевого двунаправленного ключа 5.

Элементы фильтра радиопомех (дроссель и конденсатор), а также RC-цепь, включенная параллельно триаку 1 (для индуктивной нагрузки), не приводятся.

В коммутирующем устройстве могут быть использованы триаки КУ208, ТС106, ТС112 и др., кремниевые двунаправленные ключи - КУ503А, 2N4992 и др.

В цепь конденсатора 8 (для ограничения амплитуды импульсного тока через КДК и увеличения длительности формируемого КДК 5 импульса) может быть дополнительно включен резистор с сопротивлением в несколько десятков Ом. При применении индуктивной нагрузки 2 параллельно триаку 1 может подключаться RC цепочка (0,1-0,5 мкФ, 50-200 Ом) [1].

Резистор 12 может быть подсоединен или каноду триака, или к месту соединения резисторов 6 и 7 .

Резистор 9 не является обязательным элементом схем, т.к. внутри триака уже имеется шунтирующее сопротивление. Возможно эквивалентное выполнение схемы, при котором клемма, соединяющая резистор R 9 и анода диода 10, не подключена к управляющему электроду триака 1. В этом случае резистор 9 является обязательным элементом, т.к. в случае, если анод диода 10 подключен к катоду триака, то включение триака при отрицательном полупериоде анодного напряжения не происходит.

Коммутирующее устройство работает следующим образом.

При подаче на клеммы 3, 4 переменного сетевого напряжения и среднем или минимальном значении сопротивления переменного резистора 7 конденсатор 8 за время, меньшее половины периода сетевого напряжения, заряжается до напряжения переключения кремниевого двунаправленного ключа 5, который разряжает конденсатор на цепь управляющего электрода триака 1 и запускает его. При изменении величины резистора 7 изменяется фазовый угол включения напряжения триака 1.

При максимальном значении сопротивления резистора 7 напряжение на конденсаторе 8 не достигает значения напряжения переключения кремниевого двунаправленного ключа 5. При этом триак 1 не включается.

При установке сопротивления резистора 7 в определенное положение вблизи максимального значения во время положительной полуволны на аноде триака 1 - конденсатор 8, заряженный отрицательным напряжением в предыдущий полупериод, разряжается до напряжения, близкого к нулевому, через резистор 12, диод 11, внутренний стабилитрон КДК (между управляющим электродом и вторым анодом). Дальнейший заряд конденсатора 8 происходит только через резисторы 6 и 7, т. к. рост напряжения на управляющем электроде КДК ограничивается вторым внутренним стабилитроном КДК (между управляющим электродом и первым анодом).

При отрицательном напряжении на аноде триака конденсатор перезаряжается только через резисторы 6 и 7, поэтому при дальнейшем уменьшении сопротивления резистора 7 первое включение КДК 5 и триака 1 происходит при положительном напряжении анода триака 1. При дальнейшем уменьшении значения сопротивления резистора 7 включение КДК 5, разряд конденсатора 8 и включение триака 1 происходит при каждой полуволне синусоидального напряжения.

Предложенное коммутирующее устройство позволяет плавно регулировать мощность в нагрузке от минимального до максимального значения.

Коммутирующее устройство по предложенной схеме может быть выполнено на низковольтных компонентах (за исключением триака), имеет пониженную рассеиваемую мощность и может изготавливаться в виде гибридной схемы.

Библиографические данные.

[1] Motorola Thyristor Device Data, Q 2/95, DL137, REV 6, pl. 6-42, Fig 6.79, pl. 3-19, Fig 3.37, р. 3-6.

[2] Тиристоры. Технический справочник. Под ред. В.А.Лабунцова, 1971.