О простых коммутаторах на симисторах и оптронах
A.T.Зызюк г. Луцк РА2'2010
Простые схемы коммутации на тиристорах или симисторах очень популярны. Эти конструкции всегда найдут свое место в бытовой технике. Не меньший интерес представляют собой и более новые конструкции коммутаторов, где применены схемы на современных оптронах. Гальваническая развязка и коммутация сетевого напряжения при его переходе через «ноль» весьма привлекает многих радиолюбителей.
Ряду технических вопросов, касающихся применения таких коммутаторов, посвящена данная статья.
Все чаще стали появляться различные конструкции, где вместо контактов электромеханических реле использованы симисторы. В таких ситуациях стали применять симисторный коммутатор как один из самых простых в реализации и требующих минимальное количество устанавливаемых комплектующих.
Затем, в отношении популярности использования, за ними следуют тиристорные коммутаторы, где два тиристора включены встречно-паралельно, что и позволяет осуществлять коммутацию (режим включения-выключения) нагрузки в цепи переменного тока.
Необходимо отметить, что у подобных схем, собранных как на симисторах, так и на тринисторах могут присутствовать свои, достаточно специфические и ощутимо серьезные недостатки, чтобы о них можно было позабыть. В ряде случаев эти недостатки могут ограничивать применение симисторов и тиристоров в качестве коммутаторов переменного напряжения. В некоторых ситуациях, как будет показано ниже, от использования этих замечательных полупроводниковых приборов доводилось и вовсе отказываться.
Мощные симисторы стали весьма популярны благодаря схемной простоте включения и управления процессами коммутации. Время, когда наиболее широко доступными в приобретении были лишь некоторые отечественные симисторы и тиристоры (такие, как, например, КУ202 или КУ208), кануло в лету. И теперь на наших рынках без осложнений возможно приобретение 25...40-амперных (и даже более мощных зарубежных) симисторов и тринисторов самых различных типов. Отрадно и то, что нередко за одни и те же деньги можно купить симистор на ток в два раза больше. На первый взгляд, все выглядит прекрасно и перспективно.
За последние годы мощные зарубежные симисторы стали очень интенсивно популяризовываться, особенно с появлением на наших рынках
специальных микросхем (детекторов «нуля»), с оптронной гальванической развязкой между цепями управления (входными цепями) и силовыми (в цепи управляющего электрода тринистора). Речь идет о зарубежных оптронах серии МОСхххх, например, таких, как МОС3061 (рассчитанных на напряжение до 600 В) или МОС3041 (до 400 В). Они позволяют реализовывать включение и выключение симистора при переходе сетевого напряжения через «нуль» (вблизи этого значения). Данное обстоятельство позволяет минимизировать уровень помех при коммутации, а в ряде случаев, при необходимости, осуществлять синхронное переключение нескольких симисторов в одной конструкции, например, при коммутации выводов автотрансформатора мощного сетевого стабилизатора напряжения.
Таким управлением мощными симисторами удается избежать наиболее трудноразрешимой задачи: исключить возможности работы одновременно включенных симисторов, когда один из симисторов еще не успел выключиться, а второй симистор уже включился. Данная ситуация, скажем так, традиционна по той одной причине, что время, требуемое для включения симистора, примерно в десять раз меньше того промежутка времени, в течение которого симистор выключается. Опасность такой ситуации заключается в замыкании части обмотки трансформатора из-за двух одновременно включенных симисторов, что приводит к дефекту последних и не исключает проблем выхода из строя даже самого трансформатора. Казалось бы, появление оригинальных оптронов с контроллерами нулевого значения сетевого напряжения смогут решить все проблемы, препятствующие широкому внедрению схем на симисторах. К примеру, в конструкциях таких нужных устройств, как сетевые мощные стабилизаторы напряжения. Они особенно необходимы на периферии, где напряжение электросети крайне нестабильное. Вот здесь мы и подошли к апогею проблемного момента с симисторными коммутаторами, которые должны допускать работу на индуктивную нагрузку.
При всем изобилии новых схем с применением в качестве коммутируемых элементов мощных симисторов, практически нигде даже не упоминается о том, какие последствия могут ожидать нас при коммутации, например, сетевой обмотки тороидального трансформатора с помощью мощного симистора. А ведь именно мощные тороидальные трансформаторы как раз интенсивно применяются в конструкциях сетевых стабилизаторов. Проблема как бы автоматически переносится и на многие другие сетевые трансформаторы. Чем мощнее сетевой трансформатор и чем меньше его ток «холостого хода» (1хх), тем ярче выражена и данная проблема.
Так что именно с тороидальным трансформатором ситуация проявляется особенно наглядно. Тороидальные магнитопроводы позволяют обеспечить наилучшее использование материала за счет наибольшей магнитной проницаемости при отсутствии подмагничивающего поля. При наличии этого поля происходит существенное снижение магнитной проницаемости. Отсюда и проблемы.
Сразу следует оговориться, что речь сейчас не идет о регуляторах мощности на симисторных схемах. В данном случае разбираемся исключительно в вопросе коммутации (т.е. анализируем ситуацию исключительно только в двух режимах работы: электросеть - вкл. / выкл).
Для быстрого подтверждения того, что вышеуказанная проблема не только существует, но она достаточно серьезная, чтобы на нее можно было закрыть глаза, все сказанное подтверждается конкретными практическими примерами.
Для демонстрации сказанного потребуется собрать простую цепь управления каким-либо популярным мощным симистором. Тип зарубежного симистора принципиального значения не имеет, поскольку, к сожалению, ситуации не изменит. Выбираем, например, распространенный, относительно недорогой в приобретении симистор ВТА140- 800 (25 А, 800 В) и оптрон (с контроллером) серии МОС3061. А еще лучше эксперимент приблизить к тем схемам с сетевыми стабилизаторами, в которых используются симисторы ВТА41-600 (40 А, 600 В). Такой симистор устанавливали на небольшом радиаторе (рис.1).


Мини-конструкцию собирали по типовой стандартной схеме (рис.2).

Ошибок в схеме нет. Как и в оригинале [1], нагрузка (обмотка трансформатора) включена в цепь катода симистора. Питание на оптрон должно быть стабилизировано, и ток необходимо ограничивать. Небольшое отступление. Эти симисторы очень надежны. Это доказывает и следующая внештатная ситуация.
По невнимательности автор в схеме рис.2 случайно перепутал выводы катода и управляющего электрода. И симистор еще долго работал в режиме вкл. / выкл. Правда, нагрузкой все это время была лампа накаливания на 200 Вт. Подозрение вызывал усиленный нагрев симистора. Так, на радиаторе появились надписи с верной цоколевкой симистора. Когда же подключили трансформатор, то произошел пробой симистора. Активное сопротивление первичной обмотки данного тора не превышало 2 Ом! Тороидальный трансформатор явно мощнее 700 Вт, но его заводское исполнение, по вторичной обмотке, не позволяет с него снимать больше.
Поскольку нагрузку повсеместно включают в цепь анода, то автор сетевого стабилизатора [1] в отзыве [2] и сам впоследствии рекомендует включать нагрузку симисторов в цепи анодов, а не катодов, как первоначально рекомендовалось им же в конструкции [1]. Отзыв так и называется: «Повышение надежности работы стабилизатора». Вся суть заключена в том, чтобы правильно включить симисторы: анодами к нагрузке. То есть так, как показано на рис.3.

К сожалению, включение первичной обмотки в цепь анода симистора ровным счетом ничего не меняет в отношении уменьшения тока Ixx.
Номиналы ограничительных резисторов выбраны исходя из допустимых максимальных токов на оптроны. Ток должен быть ограничен величиной 1 А. В стандартной (общепринятой) схеме используется два ограничительных резистора в цепи оптрона. Кроме того, все максимально приближенно к статье в [1] или [2]. В отзыве [2] дана доработка] схемы коммутации [1]. Но наша схема рис.2 отличается от этих схем тем, что в ней присутствует ограничительный резистор R4, отсутствующий в схемах [1] или [2]. Аналогичный вариант [1] коммутации обмоток мощного тороидального автотрансформатора сетевого стабилизатора используется и в более новой конструкции [3]. К сожалению, и в статье [3] тоже ничего не упоминается о вполне реальных проблемах, возникающих при коммутации обмоток мощного трансформатора через симисторы. Для убеждения в вышесказанном, предлагается читателям самостоятельно испытать такой коммутатор совместно с каким-либо мощным сетевым трансформатором. Особенно демонстративными будут мощные трансформаторы, имеющие небольшую величину тока «холостого хода» (1хх). Самостоятельные эксперименты других радиолюбителей исключают вероятность ошибок автора в его экспериментах.
Не обязательно впадать в крайности, прибегая сразу к испытанию таких мощных нагрузок, как сварочные трансформаторы. В распоряжении автора находился достаточно экономичный, в плане тока «холостого хода», но мощный (700 Вт) тороидальный сетевой трансформатор. И на время экспериментов через схему симисторного коммутатора этот тор подключался к сети 220 В. Для большей объективности результатов эксперимента все опыты и измерения проводились только при стабильном сетевом напряжении. Все начинали с измерения тока «холостого хода» тороидального трансформатора, подключенного непосредственно к 220 В, без использования симисторного коммутатора.
В данном случае этот ток не превышал значения 30 мА. Отсюда и выводы об экономичности тора. Затем осуществляли замеры этого тока, но с тором, подключенным уже через коммутатор. Забегая наперед, скажем прямо, что полученные результаты весьма неприятно (и весьма неожиданно) озадачили. Ведь на данную схему (рис.2) возлагали большие надежды в перспективе. В итоге, hex тора увеличился почти в десять (!) раз.
До подключения (без симистора) трансформатор работал очень тихо, фактически бесшумно. После схемы симистора (через симистор) в магнитопроводе тора отчетливо стал проявляться тихий характерный низкочастотный звук специфического гудения. Такой звук сопровождает торы при наличии постоянной составляющей в питающей электросети. Природа проблемы следующая. Из-за значительной асимметрии симисторной структуры для протекающего через нее (обеих полуволн) переменного тока, первоначальная форма этого тока существенно искажается.
Она становится несколько асимметричной, если проводить сравнение отрицательной и положительной полуволн синусоиды электросети.
В итоге ток «холостого хода» резко (скачкообразно) увеличивается. Естественно, это явление пытались устранить. Исключение (замыканием проволочной перемычкой) ограничительного резистора R4 из схемы рис.1 мало что дает. Ток Ixx уменьшается, но несущественно. Таким образом, закоротив накоротко резистор R4, схему коммутатора полностью приблизили к схеме [1]. Ток Ixx, естественно, уменьшился. Однако ожидаемого положительного результата не получилось. Поскольку 10... 15% уменьшение тока Ixx, очевидно, ничего не решает. Ток Ixx необходимо было уменьшать на порядок, то есть приблизить его к току Ixx. К сожалению, достигнуть этого в этой схеме не удалось. Тогда решено было временно уйти от зарубежных симисторов и попробовать на «симметричность» другие варианты.
Кое-что следует сказать и о некоторых элементах в данных схемах. Питание оптрона стабилизировано по причине критичности оптрона МОС3061 к перегрузкам по току. Эти оптроны не выдерживают больших токовых перегрузок и выходят из строя. Поскольку в данной схеме необходим рабочий ток оптрона более 10 мА, то ток через све-тодиод АЛ307 ограничен, чтобы ток через АЛ307 не превысил максимум последнего (10 мА). Напряжение питания оптрона выбрано из условий необходимой суммы рабочих напряжений на оптроне и светодиоде. Светодиод оптрона, подчеркиваем, имеет крутую ВАХ, поэтому с ним нужно обходиться осторожно. На практике оптимальный рабочий ток светодиода оптрона определяли следующим образом. В собранной схеме рис.3 (или рис.2) вместо нагрузки (трансформатора) Т1 включали мощную лампу 1 кВт или нагревательный элемент ТЭН. Максимальная нагрузка зависит от выбранного симистора и радиатора, на котором установлен симистор. Можно, правда, включить и маломощную лампу параллельно первичной обмотке Т1.
Но именно на мощной нагрузке вы увидите все зависимости. Насколько четко и при каком токе включается оптрон. Как от него зависит падение напряжения (нагрев) на симисторе. Плавно увеличивая напряжение блока питания (от «нуля» и до 6 В), добиваются четкого включения лампы. Затем замеряют напряжение на симисторе. Его минимизации и достигают подбором тока через светодиод оптрона, т.е. регулировкой напряжения блока питания 6 В. При включенной лампе контролируют напряжение между анодом и катодом симистора. Его минимизации, но лишь при необходимости, достигают увеличением напряжения 6 В. Но не забываем о максимальном токе через светодиод оптрона. Как правило, при 12... 15 мА через него достигалось минимальное напряжение на симисторе. И дальнейшее увеличение тока через оптрон уже совсемничего не давало в плане минимизации напряжения анод-катод симистора ВТА41 -600.
Попытки собрать удачные конструкции на тиристорах, например, тех же отечественных КУ202 (К-Н) также сопряжены с рассмотренными ситуациями.
Тем не менее, в различной литературе часто встречаются подобные системы коммутации сетевых трансформаторов без каких-либо оговорок, предупреждений или полезных советов вполне конкретного характера.
А ведь большой разброс (от экземпляра к экземпляру) параметров тиристоров типа КУ202 и является первой причиной, препятствующей успешному применению встречно-параллельного включения КУ202 в системах коммутации обмоток трансформаторов в высококачественных блоках питания (БП), усилителей мощности звуковой частоты (УМЗЧ), сетевых стабилизаторов и т.д.
Экспериментально было установлено, что и на зарубежных тиристорах системы коммутации для трансформаторов также воплощать в жизнь будет непросто по тем же причинам, что и с отечественными КУ202. Подобрать два экземпляра с близкими характеристиками сложнее, чем может показаться вначале. Очень быстро вы убедитесь в том, что симисторные структуры оказываются намного симметричнее для обеих полуволн переменного тока, нежели подбираемые тиристоры.
Безусловно, подбор из большого числа (из нескольких десятков (!) тиристоров может) позволит преуспеть в отношении симметричности, по сравнению с симистором. Однако данный процесс точно разочарует самим фактом: насколько трини-сторы далеки от идеальности, если сравнивать их для коммутации переменного тока (напряжения) с контактами реле. Контакты реле не привносят постоянной составляющей тока (специфических горизонтальных «полок») в синусоидальную форму через первичную обмотку трансформатора. Т.е. при коммутации с помощью реле не происходит подмагничивание постоянным током магнитопровода трансформатора.
Как ни печально, но в различной литературе обо всем этом практически не говорится. Лишь за редким исключением удавалось что-то «выловить», хотя бы как краткое словесное подтверждение всему вышесказанному. Но, опять же, нашли вовсе не там, где следовало бы, т.е. не в схемах, где многие активно предлагали коммутировать обмотки трансформаторов симисторами. Показательным является один найденный в литературе пример [4]. Его необходимо привести в качестве наглядного примера: «...симисторам присуща асимметрия падения напряжения, вызывающая подмагничивание магнитопровода трансформатора постоянным током. Это резко увеличивает наводки» (с. 18, [4]). Да, но у него использован не тороидальный трансформатор. И данная тема явно выходит за рамки статьи [4]. Многое понятно, судя по всему описанному о тщательном выборе сетевого трансформатора, что проблемы автору [4] известны.
Как видим, широкодоступная информация скудная, но, развивая тему самостоятельно, а главное, экспериментально, получаем и ответы на многие вопросы.
Все вышеизложенные в данной статье выводы основаны при работе со схемами рис.2 и рис.3. Фото платы рабочего макета показано на рис.4.

Заметим, что деталей на этой плате больше, чем требуется для сборки схемы рис.2.
Эхо связано с сопутствующим испытанием и других вспомогательных схем.
Весь испытательный макет приведен в заглавном фото. Впоследствии использовались и другие экспериментальные схемы, подтверждающие все, что сказано в данной статье.
Как видим, мощные ТЭН и лампы накаливания -это именно та область применения, где при коммутации сетевого напряжения мощным симисторам, пожалуй, пока нет надлежащей конкуренции.
Волей-неволей приходим к выводу, что наилучшим (по крайней мере, на теперешний момент времени) вариантом для коммутации мощной индуктивной нагрузки остается использование традиционных компонентов - контактов электромеханического реле. То есть там, где аппаратура имеет повышенную чувствительность к наводкам и симметрии сетевого напряжения, с коммутаторами на симисторах следует обходиться аккурат- но, выборочно, применительно к конкретно решаемым задачам.
Литература
1. Годин А. Стабилизатор переменного напряжения // Радио. - 2005. - №8. - С.34.
2. Годин А. Повышение надежности работы стабилизатора // Радио. - 2005. - №12. - С.48.
3. Озолин М. Усовершенствованный блок управления стабилизатора переменного напряжения // Радио. - 2006. - №7. - С.34.
4. Агеев С. Сверхлинейный УМЗЧ с глубокой ООС // Радио. - 1999. - №12. - С. 18.