Симисторные и тиристорные стабилизаторы: что выбрать?

Автор: Александр Старченко

Устройство и принцип действия тиристорных и симисторных стабилизаторов

Основными узлами этих стабилизаторов напряжения являются:

• силовой автотрансформатор – используется для коррекции сетевого напряжения;
• электронная схема управления (как правило, реализованная на базе микропроцессора) – управляет всеми функциями стабилизатора в соответствии с сигналами датчиков параметров сети и мощности потребления нагрузки;
• блок коммутирующих силовых полупроводниковых ключей (тиристоров или симисторов) – используются для коммутирования отводов обмоток силового автотрансформатора;
• устройства фильтрации сетевых помех – подавляют импульсные и высокочастотные помехи.

На корпусе электронных стабилизаторов, как правило, располагаются ЖК-дисплей и светодиодные индикаторы, которые отображают значения рабочих параметров устройства: величины напряжения на входе и выход, мощность подключенной нагрузки.

Принцип действия тиристорных и симисторных стабилизаторов одинаков. Входное переменное сетевое напряжение поступает на преобразующий автотрансформатор – разновидность трансформатора, первичная и вторичная обмотки которого соединены, то есть имеют не только электромагнитную связь, но также и электрически связаны. Вторичное напряжение снимается с одного из нескольких выводов обмотки автотрансформатора. Подключение к каждому выводу задействует разное количество витков катушки трансформатора, чем и будет определяться коэффициент трансформации и, соответственно, выходное напряжение. Наиболее похожим по принципу работы можно назвать релейный тип стабилизаторов.

Параметры входного и выходного напряжения автотрансформатора постоянно контролируются микропроцессором платы управления. Если они отклоняются от нормы в любую сторону, микропроцессор подает управляющий сигнал на включение определенного силового коммутационного устройства – полупроводникового ключа. В зависимости от типа используемых силовых ключей различают тиристорные (с применением тиристоров) и симисторные (соответственно, с применением симисторов) устройства.

Виды современных устройств

Развитие полупроводниковой техники позволило осуществить управление мощностью, используя радиоэлементы с коэффициентом полезного действия от восьмидесяти процентов. Это дало возможность их комфортно применить в сети с напряжением 220 вольт, не требуя при этом больших систем охлаждения. А появление интегральных микросхем и вовсе позволило достичь миниатюрных размеров всего регулятора в целом.

На сегодняшний момент производство выпускает следующие типы приборов:

1. Фазовые. Используются для управления яркости свечения ламп накаливания или галогенных ламп. Другое их название — диммеры.
2. Тиристорные. В основе работы лежит использование задержки включения тиристорного ключа на полупериоде переменного тока.
3. Симисторные. Мощность регулируется вследствие изменения количества полупериодов напряжения, которые действуют на нагрузку.
4. Регулятор хода. Позволяет плавно изменять электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.

При этом регулировка происходит независимо от формы входного сигнала. По своему виду расположения приборы управления разделяются на портативные и стационарные. Они могут выполняться как в независимом корпусе, так и интегрироваться в аппаратуру. К основным параметрам, характеризующим регуляторы электрической энергии, относят:

• плавность регулировки;
• рабочую и пиковую подводимую мощность;
• диапазон входного рабочего сигнала;
• КПД.

Таким образом, современный регулятор электрической мощности представляет собой электронную схему, использование которой позволяет контролировать количество энергии, пропускаемой через него.

Тиристорный прибор управления

Принцип действия такого прибора не отличается особой сложностью. В основном тиристорный преобразователь используется для управления устройствами малой мощности. Типовая схема тиристорного регулятора мощности состоит непосредственно из самого тиристора, биполярных транзисторов и резисторов, устанавливающих их рабочую точку, и конденсатора.

Транзисторы, работая в ключевом режиме, формируют импульсный сигнал. Как только значение напряжения на конденсаторе сравнивается с рабочим, транзисторы открываются. Сигнал подаётся на управляющий вывод тиристора, открывая и его. Конденсатор разряжается и ключ запирается. Так повторяется в цикле. Чем больше задержка, тем в нагрузку поступает меньше мощности.

Преимущества такого типа регулятора в том, что он не требует настройки, а недостаток в чрезмерном нагреве. Для борьбы с перегревом тиристора используется активная или пассивная система охлаждения.

Используется такого типа регулятор для преобразования мощности, подающейся как к бытовым приборам (паяльник, электронагреватель, спиральная лампа), так и к промышленным (плавный запуск мощных силовых установок). Схемы включения могут быть однофазными и трёхфазными. Наиболее применяемые: ку202н, ВТ151, 10RIA40M.

Симисторный преобразователь мощности

Симистор — полупроводниковый прибор, предназначенный для использования в цепи переменного тока. Отличительной чертой прибора является то, что его выводы не имеют разделения на анод и катод. В отличие от тиристора, пропускающего ток только в одну сторону, симистор проводит ток в обоих направлениях. Именно поэтому он используется в сетях переменного тока.

Важное отличие симисторных схем от тиристорных состоит в том, что нет необходимости в выпрямительном устройстве. Принцип действия основан на фазном управлении, то есть на изменении момента открытия симистора относительно перехода переменного напряжения через ноль. Такое устройство позволяет управлять нагревателями, лампами накаливания, оборотами электродвигателя. Сигнал на выходе симистора имеет пилообразную форму с управляемой длительностью импульса.

Самостоятельное изготовление такого вида приборов проще, чем тиристорного. Широкую популярность получили симисторы средней мощности типа: BT137–600E, MAC97A6, MCR 22−6. Схема регулятора мощности на симисторе с использованием таких элементов отличается простотой изготовления и отсутствия необходимости в настройке.

Фазовый способ трансформации

Сам по себе диммер имеет широкую область применения. Одним из вариантов его использования является регулировка интенсивности освещения. Электрическая схема прибора чаще всего реализуется на специализированных микроконтроллерах, использующих в своей работе встроенную электронную схему понижения напряжения. Из-за этого диммеры способны плавно изменять мощность, но чувствительны к помехам.

Читать также: Трехфазный регулятор мощности своими руками

Фазовые регуляторы мощности не стабилизируются с помощью стабилитронов, а в качестве стабилизатора используют попарно работающие тиристоры. Основа их работы лежит в изменении угла открывания ключевого тиристора, в результате чего на нагрузку поступают сигналы с отрезанной начальной частью полупериода, снижая действующую величину напряжения. К недостаткам диммеров относят высокий коэффициент пульсаций и низкий коэффициент мощности выходного сигнала.

При работе диммеров в широком спектре частот возбуждаются электромагнитные помехи. Такие излучения приводят к снижению КПД из-за появления паразитного тока в проводниках. Для борьбы с такими токами в конструкцию добавляются индуктивно-ёмкостные фильтры.

Тиристоры и симисторы. В чём разница?

Тиристоры и симисторы – полупроводниковые элементы, управление которыми (изменение их коммутационного состояния) осуществляется подачей положительного потенциала на управляющий электрод. Их отличие заключается в количестве слоев с различной проводимостью в пластине элемента.

Тиристор является преобразователем переменного тока однонаправленного действия. В своей структуре элемент имеет управляющий электрод, анод и катод.

Симистор представляет собой два встречно включенных тиристора, которые располагаются параллельно друг другу. У симистора каждый электрод является анодом и катодом одновременно, благодаря чему этот полупроводниковый переключатель способен проводить ток в двух направлениях.

Далее рассмотрим особенности и отличия устройств с коммутацией, реализованной на тиристорных и симисторных ключах.

Схема стабилизатора 220 В своими руками для дома

Стабилизаторы симисторного типа функционируют аналогично релейным устройствам, а существенное отличие заключается в наличии элемента, отвечающего за переключение трансформаторной обмотки. Реле в этом случае заменено мощными симисторами, которые управляются контроллерами.

Обмоточное управление симисторами является бесконтактным, с отсутствием характерных звуковых сигналов в виде достаточно громких щелчков. Намотка автоматического трансформатора предполагает использование медного провода.

Схема стабилизатора напряжения

Основные комплектующие и инструмент, необходимые для выполнения самостоятельной сборки стабилизатора, представлены:

• блоком питания;
• выпрямителем, измеряющим амплитуду напряжения;
• компаратором;
• контроллером;
• усилительными устройствами;
• световыми диодами;
• узлом для торможения подключения нагрузки;
• автоматическим трансформатором;
• ключами;
• выключателем-предохранителем;
• бытовым паяльником и пинцетом.

Стандартная печатная плата размерами 11,5х9,0 см выполняется с применением традиционного стеклотекстолита фольгированного типа, после чего напечатанная на лазерном МФУ схема размещения элементов переносится посредством утюга.

• магнитопровод с сечением 187 ммВІ;
• кабель ПЭВ-2 в количестве трёх штук для обмотки с количеством витков 8669 и пары обмоток с 522 витками.

На заключительном этапе сборки стабилизатора напряжения на плату устанавливаются мигающие световые диоды.

Самостоятельное выполнение простейшего стабилизатора на 220 В предполагает подключение неэлектронного типа трансформатора с получением на выходе показателей, которые примерно на 11 % превышают стандартное сетевое напряжение.

Схема работы, сильные и слабые стороны тиристорных стабилизаторов

Рассмотрим подробнее алгоритм работы тиристорного стабилизатора:

1. При изменении параметров входного тока фаза задержки (длительностью до 20 мс) используется для измерения значения входного напряжения сети.
2. Сравнив фактические и допустимые токовые характеристики, при необходимости процессор платы управления подает команду на коррекцию напряжения на выходе:

• в случаях, когда отклонения входного напряжения находятся в рамках допустимого диапазона, происходит его коррекция до необходимого значения;
• при скачках напряжения, выходящих за рамки допустимого диапазона, система защиты обеспечивает аварийное отключение устройства.

Тиристорные стабилизаторы напряжения обладают следующими преимуществами:

• относительно высокое быстродействие – 20 мс (в сравнении с релейными приборами);
• высокий КПД, который достигается благодаря отсутствию реле и подвижных элементов;
• возможность функционирования во внешней среде с высокими или низкими температурами;
• долговечность и надежность за счёт отсутствия механических деталей;
• бесшумное функционирование;
• устойчивость к перегрузкам.

Тиристорные приборы также отличаются достаточно высокой точностью стабилизации напряжения на выходе (от 5 до 10 %) по сравнению с релейными моделями, а также относительно широким диапазоном напряжения на входе, который позволяет их использовать в сетях с крайне некачественным напряжением.

Серьезным недостатком тиристорных стабилизаторов является дискретность (ступенчатость) коррекции напряжения. Ступенчатые скачки напряжения, которые появляются при переключении трансформаторных обмоток, ухудшают точность стабилизации и снижают скорость работы прибора.

Из-за указанных недостатков тиристорные стабилизаторы нельзя использовать для питания нагрузок, особо чувствительных к перепадам напряжения (например, ПК и периферийных устройств, профессиональных аудио- и видеоприборов, а также приборов с электронным управлением).

Кроме того, выходное напряжение тиристорных стабилизаторов имеет форму, отличную от синусоидальной (трапециевидную или с другими искажениями, в зависимости от конкретной модели), что делает нежелательным их использование для питания нагрузок с электродвигателями (например, насосов, систем отопления).

Конструктивные характеристики

По сравнению с аналогами, стабилизаторы данного типа обладают следующими конструктивными особенностями:

• В качестве силовых ключей в данном устройстве применяются такие полупроводниковые детали, обладающие высоким быстродействием, как симисторы;
• Для получения стабильной выходной разности потенциалов в стабилизаторах данного типа применяют встроенный автотрансформатор с последовательно подключенными обмотками;
• Управление работой устройства производится электронным контроллером – специальной платой с размещенной на ней микросхемой.

Схема работы, преимущества и недостатки симисторных стабилизаторов

Симисторные стабилизаторы напряжения имеют принцип работы, схожий с тиристорными устройствами.

К их очевидным преимуществам, безусловно, можно отнести перечисленные выше достоинства, которыми отличаются тиристорные устройства:

• скорость и точность регулирования напряжения;
• высокое значение КПД;
• бесшумная работа (что особенно важно при установке в жилых помещениях);
• многолетний срок эксплуатации;
• надежность работы, обусловленная полным отсутствием механических движущихся частей.

Современные симисторные стабилизаторы напряжения, как и тиристорные аналоги, отличаются широким диапазоном входного напряжения и возможностью работы при достаточно низкой температуре.

Существенными их недостатками являются высокая стоимость в сравнении с релейными моделями и ступенчатое регулирование выходного напряжения. К минусам также следует отнести большую громоздкость силовых ключей по сравнению с тиристорными аналогами: один симистор занимает площадь, достаточную для размещения нескольких тиристоров. Разумеется, это не в лучшую сторону отражается на габаритных размерах и массе устройств.

Сравнивая используемые типы полупроводниковых ключей, добавим, что симисторы менее стойки к токовым перегрузкам и в процессе работы могут нагреваться значительно сильнее, что увеличивает риск их выхода из строя.

Симисторные стабилизаторы имеют такие же ограничения по применению, что и тиристорные. Их нельзя назвать удачным решением для организации защиты электродвигателей или нагрузки с электроприводом из-за искажения формы сигнала на выходе: как правило, это модифицированная синусоида. Говоря об ограничениях в использовании, стоит добавить и их низкую стойкость при работе с индуктивной нагрузкой.

Внимание!

При покупке симисторного стабилизатора для питания чувствительных к напряжению электроприборов необходимо уточнить количество силовых полупроводниковых ключей, задействованных в схеме стабилизатора – чем их больше, тем на выходе устройство сможет обеспечить более приближенное к номинальному значение напряжения.

Мощный электронный стабилизатор

Одним из лидеров в производстве энергетических систем является , она применяет в своих разработках инновационные технологии, что позволяет свести до минимума некоторые недостатки тиристорных стабилизаторов напряжения.

Однофазный тиристорный стабилизатор «Энергия Classic 12 000» представляет собой современное и надёжное устройство с высокими параметрами. Устройство работает в интервале входных напряжений от 125 до 254 вольт. Предельно допустимые величины могут составлять 60 вольт по минимуму и 265 вольт по максимуму. Стабилизатор имеет переключающую схему на 12 ступеней, выполненную на мощных тиристорах. Время переключения не превышает 20 мс.

Этот, и большое количество других тиристорных стабилизаторов представлено на сайте официального партнера компании Энергия — ВольтМаркет.ру.

Если вы хотите приобрести симисторный стабилизатор, тогда посмотрите варианты на сайте компании по этой ссылке.

Стабилизатор имеет защиту от пониженного напряжения, повышенного напряжения и перегрузки. При температуре силового трансформатора свыше 120°C так же срабатывает защита и стабилизатор отключается. Допустимая кратковременная перегрузка до 180%, может составлять 0,3 секунды. Входной фильтр подавляет все виды высокочастотных и импульсных помех. При питании нагрузки с нормальным напряжением сети используется система «байпас». Данный стабилизатор компании Энергия рассчитан на эксплуатацию в отапливаемом помещении с уровнем влажности не более 80%.

С этим читают:

Выбор аккумулятора для ИБП: характеристики, особенности и виды АКБ

Стабилизаторы напряжения для дома: отзывы, какой лучше и по каким критериям делать выбор

Как выбрать трёхфазный стабилизатор напряжения?

Какой стабилизатор напряжения лучше: основные виды и их особенности
Понравилась статья? Поделись с друзьями в соц сетях!

1. Сергей
   02.08.2017 в 18:42

   Здравствуйте! Я так понял, что Тиристорные и симисторные стабилизаторы лучше релейных. Но есть какие — то Инверторные (с двойным преобразованием)стабилизаторы. Поэтому, возник вопрос: Инверторные стабилизаторы, это то — же самое что и Тиристорные и симисторные или это другая технология? Спасибо!

   Ответить ↓

   Александр Старченко

   (Автор записи)05.08.2017 в 17:43

   Здравствуйте, Сергей. Каждые имеют свои преимущества и недостатки, например тиристорные и симисторные стабилизаторы нельзя использовать с техникой, имеющей в своем строении электродвигатель, поскольку они выдают не чистую синусоиду. Инверторные стабилизаторы имеют существенное отличие от данного типа стабилизаторов, они не имеют в своем строении автотрансформатора. Также они отличаются более высокой стоимостью, идеальной синусоидой на выходе, возможностью работы при низких температурах, более подробно об инверторах почитайте здесь. Также советую прочитать статью о различиях типов стабилизаторов по этой ссылке.

Подводим итог

Сравнивая симисторные и тиристорные стабилизаторы напряжения между собой и с другими видами устройств, можно прийти к следующим выводам:

• оба типа приборов имеют как схожие возможности по стабилизации напряжения, так и почти одинаковые недостатки, одним из которых является ступенчатая корректировка и, как следствие, несинусоидальная форма выходного сигнала;
• данные стабилизаторы не справляются с защитой чувствительного к качеству сети оборудования, а также приборов с электродвигателями;
• оба устройства по своим рабочим параметрам ненамного превосходят релейные стабилизаторы напряжения, но стоимость их гораздо выше;
• при поломке тиристорных и симисторных устройств ремонт их электронных компонентов обойдется дороже, чем стабилизаторов напряжения предыдущих поколений, работающих по аналогичному принципу.

Практические примеры для повторения

Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.

Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.

Доминирующая схема

Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.

Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.

При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.

В качестве транзисторов используются КТ814 и КТ815. Время разряда регулируется с помощью R5 и мощность тоже. Стабилитрон используется с напряжением стабилизации от 7 до 14 вольт.

Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.

Контроллер нагрева паяльника

Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.

Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.

Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г.

Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.

Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.

Инверторные стабилизаторы как альтернатива тиристорным и симисторным

Несмотря на то, что симисторные и тиристорные стабилизаторы пока пользуются достаточной популярностью, их постепенно, но уверенно вытесняет с рынка новый тип устройств – инверторные стабилизаторы напряжения. Данные устройства разработаны на в 2015 году и по праву считаются изделиями нового поколения.

Инверторные модели, в отличие от симисторных и тиристорных, функционируют совершенно по другому принципу. В схеме их работы отсутствует автотрансформатор и какие-либо коммутационные элементы. Коррекция напряжения выполняется за счет выпрямителя, конденсатора и инвертора. Сначала входное переменное напряжение трансформируется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже имеющее эталонные характеристики. Благодаря технологии двойного преобразования данные устройства могут:

• мгновенно срабатывать на сетевые отклонения в диапазоне 90-310 В;
• стабилизировать напряжение с высокой точностью (2%);
• подавать на нагрузку напряжение идеальной синусоидальной формы;
• бесперебойно питать электроприборы при кратковременных пропаданиях сети (до 200 мс).

Высокие технические характеристики инверторных стабилизаторов позволяют их использовать для самых требовательных к качеству питания потребителей в сетях со значительными колебаниями напряжения.

В настоящее время российский производитель систем электропитания «Штиль» предлагает следующие модели инверторных стабилизаторов напряжения:

• однофазные устройства настенной и напольной/стоечной установки с выходной мощностью 0,35-20 кВА;
• модели конфигурации 3 в 1 напольной/стоечной установки с выходной мощностью 6-20 кВА, рассчитанные на работу в трехфазной сети для электропитания однофазной нагрузки;
• трехфазные устройства напольной/стоечной установки с выходной мощностью 6-20 кВА.

Принцип работы

Цифровой стабилизатор напряжения

Работает подобное стабилизирующее устройство следующим образом:

1. Поступающее из внешней сети на устройство напряжение замеряется управляющей платой (контроллером) при помощи специального датчика;
2. На основании полученных замеров контроллер принимает решение о корректировке напряжения;
3. Контроллер посылает соответствующий сигнал на вводные симисторы;
4. При помощи посланного на симисторы контроллером сигнала производится подача выровненного до определённого значения напряжения;
5. При помощи расположенного в корпусе автотрансформатора происходит выравнивание подаваемого из внешней сети напряжения до необходимого для нормальной работы электроприборов значения.

Данный многоступенчатый процесс занимает доли секунд. При этом, в отличие от релейных моделей, наличие симисторов позволяет сделать включение и отключение обмоток трансформатора бесшумным и очень быстрым делом.