Einfache Triac-Phasenregelkreise untersucht

In einer Triac-Phasensteuerschaltung wird der Triac nur für bestimmte Teile der AC-Halbzyklen eingeschaltet, wodurch die Last nur für diesen Zeitraum der AC-Wellenform arbeitet. Dies führt zu einer kontrollierten Stromversorgung der Last.

Triacs werden im Allgemeinen als Halbleiterersatz für Relais zum Schalten von Hochleistungs-Wechselstromlasten verwendet. Es gibt jedoch eine weitere sehr nützliche Funktion von Triacs, mit der sie als Leistungsregler verwendet werden können, um eine bestimmte Last bei einem gewünschten spezifischen Leistungspegel zu steuern.

Dies wird im Wesentlichen durch einige Methoden implementiert: Phasensteuerung und Nullspannungsumschaltung.

Die Phasensteuerungsanwendung ist normalerweise für Lasten wie Lichtdimmer, Elektromotoren, Spannungs- und Stromregelungstechniken geeignet.

Das Nullspannungsschalten ist besser für unruhige Lasten wie Glühlampen, Heizungen, Lötkolben, Geysire usw. geeignet. Diese können jedoch auch durch ein Phasensteuerungsverfahren gesteuert werden.

Wie Triac Phase Control funktioniert

Ein Triac kann über einen beliebigen Teil eines angelegten Wechselstrom-Halbzyklus zur Aktivierung ausgelöst werden und befindet sich weiterhin im leitenden Modus, bis der Wechselstrom-Halbzyklus die Nulldurchgangslinie erreicht hat.

Das heißt, wenn zu Beginn jeder Wechselstrom-Halbwelle ein Triac ausgelöst wird, wird der Triac im Wesentlichen wie ein eingeschalteter EIN / AUS-Schalter eingeschaltet.

Angenommen, wenn dieses Auslösesignal irgendwo in der Mitte der Wellenform des Wechselstromzyklus verwendet wird, kann der Triac nur für die verbleibende Periode dieses Halbzyklus leiten.

Und weil die Triac wird aktiviert Nur für die Hälfte des Zeitraums wird die der Last zugeführte Leistung proportional um ca. 50% reduziert (Abb. 1).

Somit könnte die Leistungsmenge an der Last auf jedem gewünschten Niveau gesteuert werden, indem lediglich der Triac-Triggerpunkt auf der Wechselstromphasenwellenform variiert wird. So funktioniert die Phasensteuerung mit einem Triac.

Lichtdimmer-Anwendung

ZU Standard-Lichtdimmerschaltung ist in Fig. 2 unten dargestellt. Während jeder Wechselstrom-Halbwelle wird der 0,1-µf-Kondensator (durch den Widerstand des Steuerpotentiometers) aufgeladen, bis an seinen Pinbelegungen ein Spannungspegel von 30-32 erreicht ist.

Um diesen Pegel wird die Triggerdiode (Diac) gezwungen zu zünden, wodurch die Spannung den Trigger durch das Gate des Triacs leitet.

ZU Neonlampe kann auch anstelle von a eingesetzt werden Diakon für die gleiche Antwort. Die Zeit, die der 0,1 uf-Kondensator benötigt, um bis zur Zündschwelle des Diac aufzuladen, hängt von der Widerstandseinstellung des Steuerpotentiometers ab.

Nehmen wir nun an, wenn die Potentiometer Wird der Kondensator auf einen Widerstand von Null eingestellt, wird der Kondensator sofort auf den Zündpegel des Diacs aufgeladen, was wiederum dazu führt, dass der Kondensator für fast den gesamten Wechselstromhalbzyklus in Leitung geht.

Wenn andererseits das Potentiometer auf diesen Wert eingestellt wird, kann der maximale Widerstandswert die Kondensator nur so lange auf das Brennniveau aufladen, bis der Halbzyklus fast seinen Endpunkt erreicht hat. Dies ermöglicht die

Triac leitet nur für eine sehr kurze Zeit, während sich die Wechselstromwellenform über das Ende des Halbzyklus bewegt.

Obwohl die oben gezeigte Dimmerschaltung wirklich einfach und kostengünstig zu konstruieren ist, enthält sie eine wesentliche Einschränkung: Sie ermöglicht keine reibungslose Steuerung der Lastleistung von Null bis Maximum.

Wenn wir das Potentiometer drehen, kann es vorkommen, dass der Laststrom ziemlich abrupt von Null auf einige höhere Pegel ansteigt, von wo aus dies nur dann in den höheren oder niedrigeren Pegeln reibungslos betrieben werden kann.

Falls die Wechselstromversorgung kurz unterbrochen wird und die Lampenbeleuchtung unter diesen 'Sprung' -Pegel (Hysterese) fällt, bleibt die Lampe auch nach der endgültigen Wiederherstellung der Stromversorgung ausgeschaltet.

So reduzieren Sie die Hysterese

Dies Hystereseeffekt könnte wesentlich verringert werden, indem das Design implementiert wird, wie es in der Schaltung in Fig. 3 unten gezeigt ist.

Korrektur: Bitte ersetzen Sie 100 uF durch 100 uH für die RFI-Spule

Diese Schaltung funktioniert hervorragend als Haushaltslichtdimmer . Alle Teile könnten an der Rückseite einer Wandschalttafel angebracht werden, und falls die Last unter 200 Watt liegt, könnte der Triac ohne Abhängigkeit von einem Kühlkörper arbeiten.

Für Lichtdimmer, die in Orchesteraufführungen und Theatern verwendet werden, ist praktisch keine Hysterese erforderlich, um eine gleichmäßige Beleuchtungssteuerung der Lampen zu ermöglichen. Dieses Merkmal kann erreicht werden, indem mit der in Fig. 4 unten gezeigten Schaltung gearbeitet wird.

Korrektur: Bitte ersetzen Sie 100 uF durch 100 uH für die RFI-Spule

Auswahl der Triac Power

Glühlampen ziehen während des Zeitraums, in dem das Filament seine Betriebstemperaturen erreicht, unglaublich viel Strom. Dies Überspannungsschutz einschalten Der Strom kann den Nennstrom des Triac um das 10- bis 12-fache übertreffen.

Glücklicherweise können Haushaltsglühbirnen ihre Betriebstemperatur in nur wenigen Wechselstromzyklen erreichen, und diese kurze Hochstromperiode kann vom Triac problemlos aufgenommen werden.

Bei Theaterbeleuchtungsszenarien, bei denen die Glühbirnen mit größerer Leistung viel länger benötigen, um ihre Arbeitstemperatur zu erreichen, ist die Situation möglicherweise nicht dieselbe. Für solche Anwendungen muss der Triac mindestens das Fünffache der typischen Höchstlast betragen.

Spannungsschwankungen in Triac-Phasenregelkreisen

Jeder der bisher angezeigten Triac-Phasenregelkreise ist spannungsabhängig - das heißt, seine Ausgangsspannung ändert sich in Reaktion auf Änderungen der Eingangsversorgungsspannung. Diese Abhängigkeit von der Spannung könnte durch Verwendung einer Zenerdiode beseitigt werden, die in der Lage ist, die Spannung über dem Zeitsteuerungskondensator zu stabilisieren und konstant zu halten (Fig. 4).

Diese Einstellung trägt dazu bei, eine praktisch konstante Ausgangsleistung aufrechtzuerhalten, unabhängig von signifikanten Schwankungen der Netzwechselspannung. Es wird regelmäßig in fotografischen und anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein hochstabiles und festes Lichtniveau unerlässlich wird.

Leuchtstofflampensteuerung

Unter Bezugnahme auf alle bisher erläuterten Phasenregelkreise könnten Glühlampen ohne zusätzliche Änderungen am vorhandenen Hausbeleuchtungssystem manipuliert werden.

Dimmen Leuchtstofflampen können auch durch diese Art der Triac-Phasensteuerung möglich sein. Wenn die Außentemperatur der Halogenlampe unter 2500 ° C fällt, wird der regenerierende Halogenzyklus nicht mehr betriebsbereit.

Dies kann dazu führen, dass sich das Filament Wolfram über der Wand der Lampe ablagert, was die Lebensdauer des Filaments verringert und auch die Durchlässigkeit der Beleuchtung durch das Glas einschränkt. Eine Einstellung, die häufig zusammen mit einigen der oben besprochenen Schaltungen verwendet wird, ist in Fig. 5 gezeigt

Diese Einstellung schaltet die Lampen ein, wenn die Dunkelheit einsetzt, und schaltet sie im Morgengrauen wieder aus. Die Fotozelle muss das Umgebungslicht sehen, aber von der zu steuernden Lampe abgeschirmt sein.

Motordrehzahlregelung

Mit der Triac-Phasensteuerung können Sie auch die Einstellungen vornehmen Drehzahl der Elektromotoren . Die allgemeine Art eines Reihenwickelmotors könnte durch Schaltungen gesteuert werden, die denen ähnlich sind, die für das Lichtdimmen angewendet werden.

Um jedoch eine zuverlässige Kommutierung zu gewährleisten, müssen ein Kondensator und ein Serienwiderstand parallel über den Triac geschaltet werden (Abb. 6).

Durch diese Einstellung kann die Motordrehzahl in Reaktion auf Änderungen der Last und der Versorgungsspannung variieren.

Für Anwendungen, die nicht kritisch sind (z. B. Lüfterdrehzahlregelung), bei denen die Last auf eine bestimmte Drehzahl festgelegt ist, sind für die Schaltung keine Änderungen erforderlich.

Die Motordrehzahl, die normalerweise, wenn sie vorprogrammiert ist, auch bei Änderungen der Lastbedingungen konstant gehalten wird, scheint eine hilfreiche Eigenschaft für Elektrowerkzeuge, Laborrührer, Töpferräder für Uhrmacher usw. zu sein, um diese Lasterkennungsfunktion zu erreichen Ein SCR ist normalerweise in einer Halbwellenanordnung enthalten (Fig. 7).

Die Schaltung arbeitet innerhalb einer begrenzten ziemlich gut Motordrehzahlbereich Obwohl dies anfällig für Schluckauf bei niedriger Geschwindigkeit sein kann und die Halbwellen-Arbeitsregel den stabilisierten Betrieb sehr weit über dem Geschwindigkeitsbereich von 50% verhindert. Eine Load-Sensing-Phasensteuerschaltung, bei der ein Triac eine vollständige Null-Maximal-Steuerung liefert, ist in Fig. 8 dargestellt.

Steuerung der Drehzahl des Induktionsmotors

Induktionsmotoren Die Drehzahl kann auch mit Triacs gesteuert werden, obwohl Sie möglicherweise auf einige Schwierigkeiten stoßen, insbesondere wenn Split-Phase- oder Kondensatorstartmotoren beteiligt sind. Normalerweise können Induktionsmotoren zwischen voller und halber Drehzahl gesteuert werden, da diese nicht zu 100% belastet sind.

Die Temperatur des Motors könnte als ziemlich zuverlässige Referenz verwendet werden. Die Temperatur sollte bei keiner Geschwindigkeit über die Angaben des Herstellers hinausgehen.

Wiederum könnte die in 6 oben angegebene verbesserte Lichtdimmerschaltung angewendet werden, jedoch muss die Last an der alternativen Stelle angeschlossen werden, wie in den gepunkteten Linien gezeigt

Variierende Transformatorspannung durch Phasenregelung

Der oben erläuterte Schaltungsaufbau könnte auch verwendet werden, um die Spannung innerhalb der primärseitigen Wicklung eines Transformators zu regeln, wodurch ein sekundärer Ausgang mit variabler Rate erhalten wird.

Dieses Design wurde in verschiedenen Mikroskoplampensteuerungen angewendet. Durch Ändern des 47K-Widerstands mit einem 100k-Potentiometer wurde ein variabler Nullsatz bereitgestellt.

Heizlasten steuern

Die verschiedenen Triac-Phasensteuerschaltungen, die bisher diskutiert wurden, können zur Steuerung von Lastanwendungen vom Heizertyp angewendet werden, obwohl sich die zu steuernde Lasttemperatur mit Änderungen der Eingangswechselspannung und der Umgebungstemperatur ändern kann. Eine Schaltung, die solche variierenden Parameter kompensiert, ist in Fig. 10 gezeigt.

Hypothetisch könnte diese Schaltung die Temperatur unabhängig von Änderungen der Netzwechselspannung von +/- 10% auf 1% des vorbestimmten Punktes stabilisieren. Die genaue Gesamtleistung kann durch die Struktur und das Design des Systems bestimmt werden, in dem die Steuerung angewendet wird.

Diese Schaltung liefert eine relative Steuerung, dh die Gesamtleistung wird der Heizlast zugeführt, wenn sich die Last zu erwärmen beginnt. In der Mitte wird die Leistung dann durch ein Maß verringert, das proportional zur Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur von ist die Last und die vorgesehene Lasttemperatur.

Der Proportionalbereich ist über eine Verstärkungsregelung variabel. Die Schaltung ist unkompliziert und dennoch effektiv, weist jedoch einen erheblichen Nachteil auf, der ihre Verwendung auf grundsätzlich leichtere Lasten beschränkt. Dieses Problem betrifft die Emission schwerer Funkstörungen aufgrund von Triac-Phasen-Chopping.

Hochfrequenzstörungen in Phasensteuerungssystemen

Alle Triac-Phasensteuergeräte verursachen große Mengen an HF-Störungen (Hochfrequenzstörungen oder Funkstörungen). Dies geschieht grundsätzlich bei niedrigeren und moderaten Frequenzen.

Die Hochfrequenzemission wird von allen nahe gelegenen Mittelwellenradios und sogar von Audiogeräten und Verstärkern stark aufgenommen und erzeugt einen irritierenden lauten Klingelton.

Diese RFI könnte sich auch auf Forschungslaborgeräte auswirken, insbesondere auf die pH-Meter, was zu einer unvorhersehbaren Funktion von Computern und anderen ähnlich empfindlichen elektronischen Geräten führen kann.

Ein praktikables Mittel zur Reduzierung von Funkstörungen besteht darin, einen HF-Induktor in Reihe mit der Stromleitung zu schalten (in den Schaltkreisen als L1 angegeben). Eine entsprechend dimensionierte Drossel könnte hergestellt werden, indem 40 bis 50 Windungen eines superlackierten Kupferdrahtes über einen kleinen Ferritstab oder einen beliebigen Ferritkern gewickelt werden.

Dies kann zu einer Induktivität von ca. 100 uH unterdrücken die RFI-Schwingungen weitgehend. Für eine verstärkte Unterdrückung kann es wichtig sein, die Anzahl der Windungen so hoch wie möglich zu maximieren oder Induktivitäten bis zu 5 H.

Nachteil der HF-Drossel

Der Nachteil dieser Art von Triac-Phasenregelkreis auf HF-Spulenbasis besteht darin, dass die Lastleistung entsprechend der Dicke des Drosseldrahtes berücksichtigt werden muss. Damit die Last im Kilowattbereich liegen soll, muss der HF-Drosseldraht dick genug sein, damit die Größe der Spule erheblich zunimmt und sperrig wird.

Das HF-Rauschen ist proportional zur Lastleistung, daher können höhere Lasten eine höhere HF-Emission verursachen, was eine verbesserte Unterdrückungsschaltung erfordert.

Dieses Problem ist möglicherweise nicht so schwerwiegend für induktive Lasten wie Elektromotoren, da in solchen Fällen die Lastwicklung selbst die Funkstörung abschwächt. Die Triac-Phasensteuerung ist auch mit einem zusätzlichen Problem verbunden - dem Lastleistungsfaktor.

Der Lastleistungsfaktor kann negativ beeinflusst werden und ist ein Problem, das die Stromversorgungsregler sehr ernst nehmen.