Детектор перехода через ноль для управления симисторами

Журнал РАДИОЛОЦМАН, март 2012

Peter Demchenko

Electronic Design Europe

Детекторы перехода через ноль синхронизируют моменты открывания ключей, коммутирующих переменное напряжение и часто используются для уменьшения пусковых токов и коммутационных шумов. Описанный здесь детектор перехода через ноль управляет симистором, но с успехом может применяться и в других приложениях.

Многие симисторы можно включать только в первых трех квадрантах. Изображенная на Рисунке 1 схема предназначена для управления такими приборами во втором и третьем квадрантах, когда ток управляющего электрода отрицателен. В этой схеме транзистор Q1 включается во время положительных полуволн переменного напряжения, т.е., когда напряжение на верхней шине положительно. Q2 открывается отрицательными полуволнами. Оба транзистора выключены только тогда, когда переменное напряжение близко к нулю, т.е. на том отрезке времени, где «разрешено» включаться симистору.

Рисунок 1.	Этот детектор перехода через ноль формирует отрицательные импульсы включения симистора.

Для снижения рассеиваемой мощности все биполярные транзисторы следует выбрать с достаточно большим коэффициентом усиления, после чего нужно рассчитать сопротивление R2:

где

B – коэффициент передачи тока Q2,
I_G – минимальный эффективный ток управляющего электрода симистора (чувствительность симистора),
U_On – максимальный уровень входного переменного напряжения, при котором еще допустимо включении симистора.

Определив R2, можно вычислить значение R3:

Когда напряжение близко к нулю, в управляющем электроде возникают отрицательные импульсы тока, так как электрод шунтируется либо транзистором Q1, либо Q2. Симистор включится, когда его рабочий ток станет больше минимального тока срабатывания. Если на этом отрезке времени симистором не управлять, переменное напряжение превысит по абсолютной величине U_On, и Q1 (или Q2), открывшись, будут препятствовать включению симистора.

Сложнее включать симистор, управляемый отрицательным напряжением, во время положительных полупериодов напряжения. Для решения этой задачи в схему добавлен p-канальный полевой транзистор J1, смещающий напряжение на необходимый уровень и сводящий к минимуму потери в цепи переменного напряжения.

В момент, когда в процессе нарастания положительной полуволны напряжение достигает U_On, транзистор J1 закрывается, а Q1 включается. Двуханодный стабилитрон D1 защищает p-n переходы транзисторов J1 и Q2. Емкость стабилитрона (200…400 пФ) вместе с резистором R2 образуют фильтр нижних частот, подавляющий короткие выбросы сетевого напряжения. R1 ограничивает до безопасного уровня ток затвора J1.

Альтернативой этой относительно сложной схеме может быть использование входного каскада на p-n-p транзисторе, включенном по схеме с общей базой, в комбинации с эмиттерным повторителем на n-p-n транзисторе. Но используемая для прямого управления симистором схема должна иметь достаточно большой коэффициент усиления по току, получить который без увеличения потребляемой от сети мощности весьма трудно.

Проблема заключается в том, что величина тока, протекающего через R2, близка к уровню тока эмиттера каскада с общей базой, который нельзя сделать очень низким без ущерба для усиления. В результате был выбран вариант с p-канальным полевым транзистором на входе, к которому предъявляется единственное существенное требование – напряжение отсечки должно быть меньше 2 В. Если оно будет еще меньше – будет еще лучше.

Во избежание проблем с защелкиванием, вам, возможно, придется управлять симистором длинными пачками импульсов или постоянным током. У использовавшегося в схеме симистора ток I_G не превышает 20 мА. R4 защищает транзисторы от чрезмерного тока. Снабберная цепочка R_S, C_S может не потребоваться. Необходимость в ней зависит от характера нагрузки и типа симистора.

В большинстве случаев симисторы открываются любым напряжением, приложенным к управляющему электроду: как положительным, так и отрицательным. Для управления такими приборами предлагается схема, изображенная на Рисунке 2. Схема обеспечивает биполярное управление и хорошо подходит для использования с трансформатором. Заметим, что снабберная цепочка на схеме не показана.

Рисунок 2.	Эту версию детектора перехода через ноль разработчики могут использовать с симисторами, включаемыми как положительным, так и отрицательным напряжением. Схема удобна, также, для управления трансформатором.