RU2124805C1

RU2124805C1 - Switching device for phased power regulation

Info

Publication number: RU2124805C1
Application number: RU97107364/09A
Authority: RU
Inventors: нский В.А. Смол; В.А. Смолянский; В.Г. Супрун
Original assignee: Смолянский Владимир Авраамович; Супрун Виталий Григорьевич
Priority date: 1997-05-06
Filing date: 1997-05-06
Publication date: 1999-01-10

Abstract

FIELD: development of light and motor-power regulators. SUBSTANCE: device has triac whose anode and cathode leads are connected in series with load to ac supply mains, bidirectional silicon switch, capacitor whose first lead is connected to first lead of variable resistor and second lead of the latter is connected to triac anode or to ac supply mains; capacitor second lead is connected to triac cathode; first anode of bidirectional silicon switch is connected to triac gate electrode and second anode, to first lead of capacitor; in addition, it has limiting resistor as well as first and second diodes; first lead of first diode is connected to first lead of limiting resistor; second lead of the latter is connected to second lead of variable resistor; second lead of first diode is connected to gate electrode of bidirectional silicon switch; cathode of second diode is connected to first lead of first diode. Circuit arrangement is such that first diode has its cathode connected to gate electrode of bidirectional silicon switch and anode of second diode is connected to gate electrode of triac. Proposed switching device may be built around low-voltage components with the exception of triac or may be made in the form of surface- wired hybrid circuit. EFFECT: reduced dissipation power; enlarged functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к коммутирующим устройствам для фазового регулирования мощности с применением симметричных тиристоров (триаков). The invention relates to switching devices for phase power control using symmetric thyristors (triacs).

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. Known switching device [1], (as well as its variants [2]), which is closest to the proposed technical essence and the achieved result), used to control the phase angle of the load, containing: a triac connected to the terminals of the anode and cathode in series with the load to an alternating voltage network, a bi-directional silicon key, a capacitor, to the first terminal of which is connected the first terminal of the variable resistor or the first terminal of the circuit from the series-connected alternating resistor and of a new constant resistor, a second terminal of a variable resistor, or a second terminal of a circuit from a series-connected variable resistor and a first constant resistor connected to a triac anode or to an AC voltage network, a second capacitor terminal is connected to a triac cathode, a first silicon bidirectional key anode is connected to a triac control electrode, the second anode - to the first terminal of the capacitor, also containing a limiting resistor, the first and second diodes, the first terminal of the first diode is connected to the first terminal of the limiting resistor, the second terminal of the limiting resistor is connected to the second terminal of the variable resistor or to the second terminal of the circuit from the series-connected alternating resistor and the first constant resistor, the second terminal of the first diode is connected to the control electrode of the silicon bidirectional switch, the cathode of the second diode is connected to the first terminal of the first diode.

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. A disadvantage of the known device is the need to use high-voltage diodes in the device, which limits the possibility of its manufacture by surface mounting methods. In addition, in the known device, when the variable resistor is set to the maximum resistance providing minimum power in the load, the heat dissipation is increased, since the resistance of the limiting resistor should be selected no more than several tens of kilo-ohms in order to ensure the discharge of the capacitor when the voltage drops to zero values.

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. These disadvantages are eliminated due to the fact that the first diode is connected in such a way that its cathode is connected to the control electrode of a silicon bidirectional key, and the anode of the second diode is connected to the control electrode of a triac or through an additional resistor to the triac cathode.

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. This inclusion of diodes changes the essence of the processes occurring in the device. If in the well-known circuit [1] a positively charged capacitor was discharged during a decrease in the positive voltage of the network, then in the proposed device, on the contrary, the negatively charged capacitor is recharged when the positive voltage in the network increases. In this case, the application of positive voltage to the diodes in a non-conductive direction is excluded and low-voltage diodes can be used in the circuit, and the value of the limiting resistor can reach several hundred kilo-ohms, because This process does not occur near the voltage transition through a zero value, but during the entire positive half-cycle of the mains voltage. This also allows to reduce the heat generation in the device.

Схема предлагаемого устройства показана на чертеже. A diagram of the proposed device is shown in the drawing.

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.The following conventions are accepted:
1 - triac,
2 - load
3, 4 - terminals of the AC voltage network,
5 - silicon bidirectional key (KDK),
6 - the first resistor,
7 - variable resistor,
8 - capacitor
9 - additional resistor,
10 - the first diode,
11 - the second diode,
12 is a limiting resistor.

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. Equivalent circuit options are possible in which the resistor 6 is connected not to the anode of the triac 1, but to the network terminal 3. The load 2 can be connected both to the anode circuit of the triac 1 and to the cathode circuit. The second output of the resistor 12 can be connected to the connection point of the resistors 6 and 7 or to the network terminal 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. An equivalent variant of connecting the anode of the diode 11 through the resistor 9 to the cathode of the triac 1 is also possible. In this case, the control electrode of the triac 1 is connected only to the first anode of the silicon bidirectional switch 5.

Элементы фильтра радиопомех (дроссель и конденсатор), а также RC-цепь, включенная параллельно триаку 1 (для индуктивной нагрузки), не приводятся. Radio interference filter elements (inductor and capacitor), as well as an RC circuit connected in parallel to triac 1 (for inductive load), are not given.

В коммутирующем устройстве могут быть использованы триаки КУ208, ТС106, ТС112 и др., кремниевые двунаправленные ключи - КУ503А, 2N4992 и др. In the switching device, triacs KU208, TC106, TC112, etc., silicon bidirectional keys - KU503A, 2N4992, etc. can be used.

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]. In the capacitor circuit 8 (to limit the amplitude of the pulsed current through the KDK and increase the duration of the generated KDK 5 pulse), a resistor with a resistance of several tens of Ohms can be additionally included. When applying inductive load 2, an RC circuit (0.1-0.5 μF, 50-200 Ohms) can be connected in parallel to triac 1 [1].

Резистор 12 может быть подсоединен или каноду триака, или к месту соединения резисторов 6 и 7 . Resistor 12 can be connected either to the triac channel, or to the junction of resistors 6 and 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. Resistor 9 is not a required element of the circuit, because there is already a shunt resistance inside the triac. An equivalent embodiment of the circuit is possible, in which the terminal connecting the resistor R 9 and the anode of the diode 10 is not connected to the control electrode of the triac 1. In this case, the resistor 9 is an obligatory element, because if the anode of the diode 10 is connected to the cathode of the triac, the inclusion of the triac with a negative half-period of the anode voltage does not occur.

Коммутирующее устройство работает следующим образом. The switching device operates as follows.

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. When an alternating mains voltage is applied to terminals 3, 4 and the average or minimum resistance value of the variable resistor 7, the capacitor 8 is charged to the switching voltage of the silicon bidirectional switch 5, which discharges the capacitor to the triac 1 control electrode circuit, and starts his. When you change the value of the resistor 7 changes the phase angle of the voltage of the triac 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. At the maximum value of the resistance of the resistor 7, the voltage across the capacitor 8 does not reach the switching voltage of the silicon bidirectional switch 5. However, the triac 1 does not turn on.

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). When the resistance of the resistor 7 is set to a certain position near the maximum value during the positive half-wave on the anode of triac 1, the capacitor 8, charged with a negative voltage in the previous half-cycle, is discharged to a voltage close to zero through resistor 12, diode 11, and the internal KDC zener diode (between control electrode and second anode). Further charge of the capacitor 8 occurs only through resistors 6 and 7, since the voltage increase at the KDK control electrode is limited by the second KDK internal zener diode (between the control electrode and the first anode).

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. With a negative voltage at the triac anode, the capacitor is recharged only through resistors 6 and 7, therefore, with a further decrease in the resistance of resistor 7, the first turn on of the KDK 5 and triac 1 occurs with a positive voltage of the anode of triac 1. With a further decrease in the resistance value of resistor 7, turn on the KDK 5, discharge of the capacitor 8 and the inclusion of triac 1 occurs at each half-wave of a sinusoidal voltage.

Предложенное коммутирующее устройство позволяет плавно регулировать мощность в нагрузке от минимального до максимального значения. The proposed switching device allows you to smoothly adjust the power in the load from minimum to maximum values.

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. The switching device according to the proposed scheme can be performed on low-voltage components (with the exception of the triac), has a reduced power dissipation and can be made in the form of a hybrid circuit.

Библиографические данные. Bibliographic data.

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

[2] Тиристоры. Технический справочник. Под ред. В.А.Лабунцова, 1971. [2] Thyristors. Technical Reference. Ed. V.A. Labuntsova, 1971.

Claims

A switching device for phase control of power in a load, comprising a triac connected in series with the terminals of the anode and cathode with the load to an ac voltage network, a bi-directional silicon key, a capacitor, to the first terminal of which is connected the first terminal of the variable resistor, the second terminal of which is connected to the anode of the triac or K AC voltage, the second terminal of the capacitor is connected to the cathode of the triac, the first anode of the silicon bidirectional key is connected to the control electrode of the triac, W swarm anode - to the first output of the capacitor, also containing a limiting resistor, the first and second diodes, the first output of the first diode is connected to the first output of the limiting resistor, the second output of the limiting resistor is connected to the second output of the variable resistor, the second output of the first diode is connected to the control electrode of the silicon bidirectional key, the cathode of the second diode is connected to the first output of the first diode, characterized in that the first diode is turned on so that its cathode is connected to the control electrode silicon bi-directional key, and the anode of the second diode is connected to the control electrode of the triac or through an additional resistor to the cathode of the triac.