Prinzipien der Thyristor- und Triac-Steuerung

Beginnen wir mit den einfachsten Schemata. Im einfachsten Fall reicht es zur Ansteuerung eines Thyristors aus, seiner Steuerelektrode kurzzeitig einen konstanten Strom eines bestimmten Wertes zuzuführen. Der Mechanismus zur Bereitstellung dieses Stroms kann schematisch dargestellt werden, indem man sich einen Schalter vorstellt, der schließt und Strom liefert, ähnlich der Ausgangsstufe eines Chips oder Transistors.

Dies ist eine scheinbar einfache Methode, aber die Leistung des Steuersignals muss hier erheblich sein. Unter normalen Bedingungen sollte dieser Strom für den Triac KU208 mindestens 160 mA und für den Trinistor KU201 mindestens 70 mA betragen. Bei einer Spannung von 12 Volt und einem durchschnittlichen Strom von beispielsweise 115 mA beträgt die Steuerleistung nun 1,4 W.

Die Anforderungen an die Polarität des Steuersignals sind wie folgt: Der SCR benötigt eine Steuerspannung, die in Bezug auf die Kathode positiv ist, und der Triac (symmetrischer Thyristor) erfordert die gleiche Polarität wie der Anodenstrom oder negativ für jede der Halbzyklen .

Die Steuerelektrode des Triacs ist nicht überbrückt, der Trinistor wird mit einem 51-Ohm-Widerstand manipuliert.Moderne Thyristoren benötigen immer weniger Steuerstrom, und sehr oft findet man Schaltungen, bei denen der Steuerstrom bei Thyristoren auf etwa 24 mA und bei Triacs auf 50 mA reduziert ist.

Es kann vorkommen, dass ein starker Abfall des Stroms im Steuerkreis die Zuverlässigkeit des Geräts beeinträchtigt. Daher müssen Entwickler manchmal Thyristoren für jeden Stromkreis separat auswählen. Andernfalls müsste zum Öffnen des Niederstromthyristors in diesem Moment seine Anodenspannung hoch sein, was zu schädlichen Einschaltströmen und Störungen führen würde.

Der Mangel an Steuerung nach dem oben beschriebenen einfachsten Schema ist offensichtlich: Es besteht eine dauerhafte galvanische Verbindung des Steuerstromkreises mit dem Stromkreis. Triacs in einigen Stromkreisen ermöglichen den Anschluss einer der Klemmen des Steuerstromkreises an den Neutralleiter. SCRs ermöglichen eine solche Lösung nur durch Hinzufügen einer Diodenbrücke zum Lastkreis.

Dadurch wird die der Last zugeführte Leistung halbiert, da die Spannung nur in einer der Perioden der Netzsinuswelle an die Last angelegt wird. In der Praxis haben wir die Tatsache, dass Schaltkreise mit Thyristor-Gleichstromsteuerung ohne galvanische Trennung der Knoten fast nie verwendet werden, es sei denn, die Steuerung muss aus gutem Grund auf diese Weise erfolgen.

Eine übliche Lösung zur Thyristorsteuerung besteht darin, dass die Spannung direkt von der Anode über einen Widerstand an die Gate-Elektrode angelegt wird, indem der Schalter einige Mikrosekunden lang geschlossen wird. Der Schlüssel hierfür kann ein Hochspannungs-Bipolartransistor, ein kleines Relais oder ein Fotowiderstand sein.

Dieser Ansatz ist bei relativ hoher Anodenspannung akzeptabel und bequem und einfach, selbst wenn die Last eine Blindkomponente enthält. Es gibt aber auch einen Nachteil: mehrdeutige Anforderungen an den Strombegrenzungswiderstand, der einen kleinen Nennwert haben muss, damit der Thyristor beim ersten Einschalten näher am Beginn der Halbwelle der Sinuswelle einschaltet, Nicht bei Netzspannung Null (bei fehlender Synchronisation) können auch 310 Volt ankommen, allerdings sollte der Strom durch den Schalter und durch die Steuerelektrode des Thyristors die für sie maximal zulässigen Werte nicht überschreiten.

Der Thyristor selbst öffnet bei der Spannung Uop = Iop * Rlim. Infolgedessen treten Störungen auf und die Lastspannung nimmt leicht ab. Der berechnete Widerstandswert des Widerstands Rlim wird um den Wert des Widerstandswerts des Lastkreises (einschließlich seiner induktiven Komponente) verringert, der zufällig in Reihe mit dem geschaltet ist Widerstand zum Zeitpunkt des Einschaltens.

Bei Heizgeräten wird jedoch berücksichtigt, dass ihr Widerstand im kalten Zustand zehnmal geringer ist als im beheizten Betrieb. Da sich bei Triacs der Einschaltstrom für positive und negative Halbwellen geringfügig unterscheiden kann, kann übrigens ein kleiner Konstantanteil an der Last auftreten.

Die Einschaltzeit des SCR beträgt normalerweise nicht mehr als 10 μs. Daher kann für eine wirtschaftliche Lastleistungssteuerung eine Impulsfolge mit einem Arbeitszyklus von 5, 10 oder 20 für die Frequenzen 20, 10 und 5 angewendet werden kHz. Die Leistung verringert sich vom 5- auf das 20-fache.

Der Nachteil ist folgender: Der Thyristor kann einschalten, und zwar nicht zu Beginn der Halbwelle.Es ist voller Wellen und Lärm. Und selbst wenn das Einschalten kurz vor Beginn des Spannungsanstiegs von Null erfolgt und der Strom der Steuerelektrode zu diesem Zeitpunkt möglicherweise noch nicht den Haltewert erreicht, schaltet sich der Thyristor unmittelbar nach dem Ende aus Impuls.

Dadurch schaltet der Thyristor zunächst für kurze Zeit ein und aus, bis der Strom schließlich eine Sinusform annimmt. Bei Lasten mit einer induktiven Komponente erreicht der Strom möglicherweise nicht den Haltewert, wodurch die Dauer der Steuerimpulse geringer wird und der Stromverbrauch nicht wesentlich sinkt.

Die Trennung des Steuerstromkreises vom Netz erfolgt durch den sogenannten Impulsstart, der einfach durch die Installation eines kleinen Trenntransformators auf einem Ferritring mit einem Durchmesser von weniger als 2 cm durchgeführt werden kann. Wichtig ist, dass die Isolationsspannung eines solchen Transformators sollte hoch sein und nicht wie bei jedem industriellen Impulstransformator ...

Um die für die Steuerung benötigte Leistung deutlich zu reduzieren, wird es notwendig sein, auf eine präzisere Steuerung zurückzugreifen. Der Gate-Strom muss abgeschaltet werden, sobald der Thyristor eingeschaltet wird. Wenn der Schalter geschlossen ist, schaltet sich der Thyristor ein, und wenn der Thyristor beginnt, Strom zu leiten, stoppt die Mikroschaltung die Stromzufuhr durch die Steuerelektrode.

Dieser Ansatz spart wirklich die Energie, die zum Antrieb des Thyristors benötigt wird. Wenn der Schalter derzeit geschlossen ist, reicht die Anodenspannung immer noch nicht aus, der Thyristor wird vom Mikroschaltkreis nicht geöffnet (die Spannung sollte etwas mehr als die Hälfte der Versorgungsspannung des Mikroschaltkreises betragen). Die Einschaltspannung ist einstellbar Auswahl von Entkopplungswiderständen.

Um den Triac auf diese Weise zu steuern, ist es notwendig, die Polarität zu verfolgen, daher wird der Schaltung ein Block aus einem Transistorpaar und drei Widerständen hinzugefügt, der den Zeitpunkt festlegt, an dem die Spannung Null durchläuft. Komplexere Schemata würden den Rahmen dieses Artikels sprengen.