Коммутирующее устройство

ЗОБ Комитет Российской Федерации. по патентам и товарным знакам ОПИСАНИК ПАТЕНТУ(76) Смопянский Владимир Авраамович(7) Использование: область тиристорных коммутирующих устройств, предназначенных для включениянагрузок в цепь переменного тока и фазового регулирования мощности. Особенностью коммутирующего устройства является возможность применения для его автоматического плавного установления и выключения заданного уровня мощности в 1 в) КЦ (и) 2001511 С1) КОЗ К 17 292 ИИЛуъЬЕНИЯитваю-тюкни ю,.ЬИБЛИДТЕКРВ нагрузке. Коммутирующее устройство содержит тиристорный ключ, вспомогательный источник пульсирующего напряжения и релаксационный генератор на программируемом однолереходном транзисторе, снабженный цепью автоматического управления фазой, целью автоматической остановки изменения фазы включения тиристорного ключа а также цепью возврата в исходное состояние. Основным назначением коммутирующего устройства является управление включением и яркостью ламп накаливания. 1 эл. ф-лы,2 илИзобретение относится к коммутирующим устройствам с примененлем тиристоров, однопереходных транзисторов ипрограммируемых однопереходных транзисторов, предназначенных для включения 5нагрузок в цепях переменного напряженияи регулирования мощности.Известны коммутируюшие устоойствадля фазового управления мощности с использованием тиристсров, Для коммутации 10переменного напояжения могут использоваться тиристорнье ключи, содержащиеодин однонаправленный тиристор, двавстречно-параллельно включенных тиристора, деа встречно включенных тиристора, 15симметричный тиристор и другие камоина"ции иэ групп тиристоров,В известных коммутирующих устройствах для пуска тиристоров применяют релаксационные генераторы, содержащие 20ВС-цепи, к соедней гочке которых подключены маломощные управляемые пороговыеключи; КОК-кремниевье однонаправленныеключи. КДК-кремниевые двунаправленныеклгочи, програглмируемые однопереходныетранэистопы и др, Выходы рел ксационныхгенераторов подсоединяются к входу тиристпрных к,ючей (в гтростейшег., случае к упрааляющим электродам тири торов),И зеестные тиристорнь е коглмутлруатцие Гройсгва не позеолчктт плавно подэ "ь и с ять зяданнуо мсгцность с нагрузкие агтто этическом генимеНаиболее близклгл к предлагаемому потехнической ущности и достигаемому ре- З 5зультату является коммутипуюц 1 ее устройство, содержа 1.-.е тиристорньй ключ инагрузку, соединенные последовательно лподключенные к сети переменнсго илипульслру ощего напряжения, ВС-цепочку и "0делитель напряжения, упраеляемьй пороговый ключ, подключенный анодом к средней точке ВС-цепи, а катодпм черезтокосогласующие цепи к входу выправлениятиристорного ключа, Л 5В качестве управляемого псрогоеогоключа в этом коммутирующем устройствемогут быть применены кремниевые однонаправленные ключи (КОК), двунаправленные (КДК) или прогоаммируемые 50однопереходные транзисторе.Предлагаемое изобретение направленона расширение функциональных свойствкоммугирующих фазоупраеляющих устройств на тиристорах, снабжение их свайствами автоглатического плаеного регулирования мощности при включении и еьклочении устройства от нуля до заданного значеп тя мпщности ити от задаогс значениям с ти до нуля при сскрает еззмоиности управления заданным значением мощности, Решение указанной задачи позволит при применении коммутирующего устройства, выполненного с применением изобретения, увеличить срок службы нагрузок, предохранить питающие сети от токовых бросков, создать комфортные условия для режимов включения и выключения тока в нагрузках,Это достигается благодаря тому, что в коммутирующее устройство введены вспомогательный источник пульсирующего напряжения, цепь из последовательно соединенных первого диода, конденсатора и первоо дополнительного резистора, второй диод и второй дополнительный резистор, причем цепь из последовательно соединенных первого диода, конденсатора и первого дополнительного резистора подключена между полюсами вспомогательного источника пульсирующего напряжения, к точке соединения цепочки из первого диода, конденсатора с первым дополнительным резистором подключен управляющий электрод управляемого порошкового ключа, точка соединения первого диода и конденсатора через второй дополнительный резистор соединена с одним из полюсов вспомогательного источника пульсирующего напряжения, а между средней точкой делителя напряжения и управляющим электродом управляемого порогового ключа включен второй диод. При этом обеспечивается возможность плавного автоматического увеличения мощности в нагрузке после включения устройства внешним контактным переключателем т задание установившегося уровня мощности,Функции автоматического плавного уменьшения и увеличения мощности в нагрузке мокнут быть реализованы при использовании двухпозиционного ключа (контактного переключателя) в цепи второго дополнительного резистора.Введение вспомогательного источника пульсирующего напряжения и подключение к нему релаксационного генерФора с ВС- цепью и управляемым пороговым ключом, а также цепи из последовательно соединенньх первого диода, конденсатора и первого дополнительного резистора и подключение точки соединения цепочки из первого диода. и конденсатора с первым дополнительным резистором к упоаеляющему электроду управляемого порогового ключа позволяет после включения комглутирующего устройства достичь плавного изгленения напряжения включения гторогоеого ключа и плавного изменения фазового угла зажигания, а подклю ение средне тои делитетя напряже 2001511ния через диод к управляющему электроду управляемого порогового ключа позволяет остановить изменение напряжения включения порогового ключа и изменение фазового узла зажигания тиристорного ключа на заданном минимальном уровне, так как в противном случае амплитуда напряжения на катоде порогового ключа снизитсяниже величины, обеспечивающей пуск тиристорного ключа, Включение второго дополнительного резистора между точкой соединения первого диода и конденсатора и одним из полюсов вспомогательного источника пульсирующего напряжения позволяет возвратить коммутирующее устройство в исходное состояние, Применение двухпозиционного ключа в цепи второго дополнительного резистора позволяет достичь автоматическое плавное включение и выключение нагрузки,На фиг. 1 приведена принципиальная схема коммутирующего устройства для управления нагрузкой при помощи одного однонаправленного тиристора; на фиг, 2 - вариант схемы с применением дополнительного тиристорного ключа на симметричном тиристоре,Приняты следующие условные обозначения: 1 - тиристорный ключ, 2 - нагрузка, 3,4 - клеммы питающей сети переменного или пульсирующего напряжения, 5 - вспомогательный источник пульсирующего напряжения, 6 - резистор, 7 - стабилитрон, 8 - резистор и 9 - конденсатор (8, 9 - ВС- цепь), 10, 11 - резисторы (делитель напряжения), 12 - управляемый пороговый ключ 1 кремниевый однонаправленный ключ, программируемый однопереходный транзистор), 13, 14 - резисторы (токосогласующая цепь), 15 - первый диод, 16 - конденсатор, 17 - первый дополнительный резистор, 18 - конденсатор, 19 - второй дополнительный резистор, 20, 21 - двухпоэиционные ключи (тумблеры), 22 - управляющая часть комму тирующего устройства. 23 - диодный мост, 24 - коммутирующее устройство по схеме фиг.1 (без нагрузки 2 и ключей 20 и 21), 25 - симметричный тиристор (дополнительный тиристорный ключ), 26 - резистор,Коммутирующее устройство по данному изобретению может быть выполнено в нескольких схемотехнических вариантах,При использовании первого варианта(фиг.1) тиристор 1 должен иметь достаточно большое обратное пробивное напряжение.В этом случае нагрузка 2 работает в однополупериодном режиме. Питание вспомогательного источникапульсирующего напряжения может осуще 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 ствляться как от сети переменного тока(клеммы 3 и 4), так и от анода тиристора 1 иклеммы 4 сети.При необходимости питания нагрузки 2двухполупериодным выпрямленным напряжением клеммы 3, 4 схемы (фиг,1) должныбыть подключены к выпрямляющей диагонали диодного моста, вход которого подключается к сети переменного напряженияПри необходимости питания нагрузки 2переменным напряжением она может бытьподключена между питающей сетью переменного напряжения и входом диодного моста,При отсутствии необходимости автоматического плавного выключения нагрузкитумблер 21 должен быть замкнут или исключен из цепи резистора 19,При необходимости достижения автоматического плавного включения и плавного отключения коммутация в устройствеосуществляется двухпозиционным тумблером 21,Для устройств, в которых необходимытолько функции автоматического плавногов:гчочения и выключения (без возможностирегулирования установившейся мощности)резистор 10 может быть выполнен нерегулируемам. диод 18 в этом случае подключается к средней точке делителя напряжения 10,11,Коммутирующее устройство (фиг.1)включенное в выпрямляющую диагональдиодного моста 23 (фиг,2), может быть включено в цепь управляющего электрода симметричного тиристора 25, В этом случае всхеме 24 может использоваться маломощный тиристор 1,Коммутирующее устройство может оснащаться элементами помехоподавленич(ЕС-цепи) 1), защищающими питающуюсеть,Коммутирующее устройство работаетследующим образом.Пусть на клеммы 3, 4 коммутирующегоустройства (фиг.1) подано переменное иливыпрямленное синусоидальное напряжение. При включенном тумблере 21 послевключения тумблера 20 вспомогательныйисточник пульсирующего напряжения вырабатывает импульсы трапецеидальнойформы с амплитудой напряжения, ограниченной стабилитроном 7. При этом начинается заряд конденсатора 9 через резистор 8и конденсатора 16 через диод 15 и резистор17. В начальные моменты времени конденсатор 16 разряжен. Поэтому напряжение науправляющем электроде ключа 12 больше,чем напряжение на его аноде. Постояннаявремени ВС-цепи 8, 9 выбирается такой, чтобы к моменту окончания полупериода пита2001511 45 ющего напряжения напряжение на конденсаторе не достигло напряжения на катоде стабилитрона 7, а постоянная времени ВС- цепи 17, 16 была многократно более постоянной времени ВС-цепи 8, 9. К концу полупериода питающего напряжения напряжение на катоде стабилитрона 7 падает, соответственно падает и напряжение на управляющем электроде ключа 12 и он отпирается, разряжая конденсатор 9. Спустя определенное число полупериодов питающего напряжения, по мере заряда конденсатора 16 напряжение на управляющем электроде ключа 12 снижается, что вызывает снижение напряжения переключения ключа 12 по цепи анод-катод и он начинает включаться, причем с каждым следующим полупериодом это включение происходит, при все меньшем и меньшем значении напряжения переключения ключа 12, что вызывает формирование импульса тока за счет разряда конденсатора 9 в цепь резистора 13. При этом промежутки времени между началом полупериода питаЮщего напряжения и моментами формирования импульса уменьшаются, Этот процесс происходит до тех пор пока из-эа снижения потенциала управляющего электрода ключа 12 не откроется диод 18, При этом дальнейший заряд конденсатора 16 прекратится, Сопротивление 11 выбирается из условия, обеспечивающего формирование ключом 12 импульсов напряжения, достаточных для пуска тиристорного ключа 1 через резистор 13. Таким образом, после включения тумблера 20 фаза формируемого импульса меняется от значения примерно 180 в меньшую сторону до некоторого значения, определяемого соотношением плеч делителя напряжения 10, 11 (или положением движка потенциометра 10, если делитель выполнен с регулируемым соотношением плеч), Так как тиристорный ключ включается в каждый полупериод имФ о р мул а изобретения коммхтирующее устРойство, содержащее тиристорный ключ и нагрузку, соединенные последовательно и подключенные к сети переменного или пульсирующего напряжения, ВС - цепь и делитель напряжения, управляемый пороговый ключ, подключенный анодом к средней точке ЙСцепи, а катодом через токосогласующие цепи - к входу управления тиристорного . ключа, отличающееся тем, что в него дополнительно введены вспомогательный источник пульсирующего напряжения, цепь иэ последовательно соединенных первого диода, конденсатора и первого дополнипульсом управляющей схемы 22, то мощность в нагрузке нарастает от нуля до установившегося значения, т,е. осуществляетсяавтоматическое плавное включение мощно 5 сти в нагрузке, При выключении тумблера 20конденсатор 16 разряжается через резистор 19 и 17 и коммутирующее устройствовозвращается в исходное состояние. Сопротивление резистора 19 выбирают достаточ 10 но большим, чтобы оно не сказывалось навозможности заряжать конденсатор 16,Другой способ управления коммутирующим устройством, при котором тумблер 20постоянно включен, может быть осуществ 15 лен при помощи тумблера 21,Однако приэтом сопротивление резистора 19, напротив, должно быть ограниченным, чтобы привключении тумблера 21 конденсатор разряжался. При этом в соответствии с описан 20 ным выше процессом фаза зажиганияключей 21 и 1 будет увеличиваться до ихполного выключения, При выключении тумблера 21 процесс будет осуществляться вобратном порядке.25 Применение коммутирующего устройствадля включения ламп накаливания в светотехнической аппаратуре позволит существенноувеличить их срок службы и создать светотехнические изделия повышенной комфортности.30 Применение коммутирующего устройства дляпуска электродвигателей позволит снизить пусковые токи. Кроме того, при использованиикоммутирующего устройства снижается импульсная нагрузка на питающие сети.35(56) Тиристоры, техн, справочник под ред,В,А.Лабунцова, МЭнергия, 1971,С.Зи. Физика полупроводниковых приборов, т,1, пер. с англ., М,: Мир, 1984, раздел40 4.6, с, 247-251, рис, 41 а,б,в,Микросхемы интегральные Е 142 А-В,Е 143 А-В, Технические условия ВБКП,431314. 004 ТУ-ЛУ (ПО "ТОР"),тельного резистора, второй диод и второй дополнительный резистор, причем цепь из последовательно соединенных первого ди 50 ода, конденсатора и первого дополнительного резистора подключена между полюсами вспомогательного источника пульсирующего напряжения, к точке соединения цепи из первого диода и конден сатора с первым дополнительнымрезистором подключен управляющий электрод управляемого порогового ключа, точка соединения первого диода и конденсатора через второй дополнительный резистор соединена с одним иэ полю2001511 Составитель И.ПоставинаТехред Ь,Моргентал Корректор А.О Редактор В,Трубченко Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента 113035, Москва, Ж.-Э 5, Раушская наб 4/5Зака Производственно издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарин сов вспомогательного источника пульсирующего напряжения, а между средней точкой делителя напряжения и управляющим электродом управляемого порогового ключа включен второй диод.