Тиристорное зарядное устройство - схема и принцип работы

Статья обновлена: 18.08.2025

Тиристорные зарядные устройства остаются востребованными благодаря надежности и точному управлению током заряда аккумуляторов. Их конструкция исключает перегрев и обеспечивает автоматическое отключение при достижении заданных параметров.

Ключевое преимущество таких схем – использование тиристора в качестве регулирующего элемента, что позволяет плавно изменять напряжение на выходе без потерь мощности. Это отличает их от традиционных релейных или резисторных моделей.

В статье подробно разберем классическую схему тиристорного ЗУ, работу фазоимпульсного регулирования и принцип стабилизации зарядного тока. Понимание этих аспектов поможет собрать эффективное устройство своими руками.

Тиристор как ключевой компонент схемы управления

Тиристор в зарядном устройстве выполняет роль электронного ключа, управляющего подачей тока на аккумулятор. Его основная функция – коммутация силовой цепи при получении сигнала от схемы контроля. В отличие от транзисторов, тиристор после включения сохраняет проводимость до снижения анодного тока ниже порога удержания, что упрощает управление мощной нагрузкой.

Управление моментом открытия тиристора осуществляется через управляющий электрод импульсами от фазоимпульсного генератора. Задержка импульса относительно начала полуволны сетевого напряжения регулирует среднее значение зарядного тока. Чем позже подается импульс в течение полупериода, тем меньше энергии поступает на аккумулятор за счет отсечки части синусоиды.

Принцип работы и особенности

Ключевые аспекты применения тиристора:

Односторонняя проводимость: Пропускает ток только в прямом направлении, автоматически запираясь при смене полярности напряжения сети
Гальваническая развязка: Управляющие цепи изолируются от сети через импульсный трансформатор или оптрон
Тепловой режим: Требует установки на радиатор из-за рассеивания мощности в открытом состоянии

Сравнение характеристик тиристорного управления:

Параметр	Преимущество	Ограничение
Точность регулировки	Плавное изменение тока зарядки	Зависимость от стабильности опорного напряжения
Помехообразование	Отсутствие ВЧ-шума (в сравнении с ШИМ)	Генерация гармоник в сети из-за фазового регулирования
Надежность	Устойчивость к перегрузкам	Чувствительность к скорости нарастания напряжения (dV/dt)

Критически важным элементом схемы является узел синхронизации с сетевым напряжением. Он формирует опорные точки для генератора импульсов, обеспечивая стабильность угла отсечки при колебаниях частоты и амплитуды сети.

Требования к характеристикам силового трансформатора

Силовой трансформатор является основным источником гальванической развязки и формирования рабочего напряжения в схеме тиристорного зарядного устройства. Его параметры напрямую влияют на стабильность, безопасность и эффективность процесса зарядки аккумуляторных батарей.

Некорректный подбор трансформатора приводит к перегреву, недозаряду или перезаряду АКБ, выходу из строя тиристоров и других компонентов схемы. Требования охватывают электрические, тепловые и конструктивные аспекты.

Ключевые параметры

Выходное напряжение (на вторичной обмотке): Должно на 15-20% превышать номинальное напряжение заряжаемого АКБ с учётом падения на выпрямителе и тиристорах. Рассчитывается как: U_вых.тр = 1.2 * (U_акб + 2), где 2В – усреднённое падение на диодном мосту и тиристоре.
Максимальный выходной ток: Должен соответствовать максимальному току заряда, требуемому для конкретного типа АКБ (обычно 0.1C или 0.2C от ёмкости), плюс запас 20-30%. Трансформатор должен длительно работать при этом токе без перегрева сверх допустимой температуры изоляции (класс B или F – до 130°C или 155°C).
Мощность (ВА): Определяется как произведение действующего значения выходного напряжения и максимального выходного тока (S = U_{вых.действ} * I_вых.max). Требуется запас мощности 25-30% из-за несинусоидальной формы тока нагрузки (связанной с фазовым управлением тиристорами) и возможных кратковременных перегрузок.
Напряжение короткого замыкания (U_k): Желательно 5-7%. Слишком низкое U_k увеличит токи КЗ и нагрузку на тиристоры, слишком высокое – ухудшит стабильность выходного напряжения под нагрузкой.
Конструктивная устойчивость: Сердечник и обмотки должны выдерживать магнитные и механические нагрузки, вызванные пульсирующим током с высоким содержанием гармоник (результат работы тиристорного регулятора).

Диодный мост для выпрямления переменного напряжения

Диодный мост преобразует переменное напряжение сети (~220В) в пульсирующее постоянное. Он состоит из четырёх диодов, соединённых по мостовой схеме Гретца. Каждая пара диодов поочерёдно открывается в положительный и отрицательный полупериод входного напряжения, обеспечивая однополярный выход.

На выходе моста получается напряжение со значительными пульсациями (частота 100 Гц при 50 Гц сети). Это нестабилизированное напряжение поступает на вход тиристорного регулятора, где осуществляется управление током заряда аккумулятора путём изменения фазы открытия тиристора.

Ключевые характеристики и особенности

Параметры выбора диодов:

Обратное напряжение: Должно превышать амплитудное значение сетевого напряжения (не менее 400В для 220В сети)
Прямой ток: Выбирается с запасом от максимального тока нагрузки (с учётом пусковых токов)
Тепловой режим: Требуется радиатор при токах свыше 1А из-за потерь на диодах (~0.7В на каждом)

Схема подключения в зарядном устройстве:

Вывод моста	Назначение
Вход (~)	Подключение к обмотке трансформатора
Выход (+)	Через тиристор к "+" АКБ
Выход (-)	Непосредственно к "-" АКБ

Важные нюансы работы:

Без сглаживающего конденсатора на выходе формируется "биполярное" пульсирующее напряжение
Падение напряжения на мосту составляет ~1.4В (суммарно на двух диодах в цепи)
Для защиты от всплесков напряжения параллельно диодам устанавливают RC-цепи

Роль фильтрующего конденсатора в схеме

Фильтрующий конденсатор устанавливается после выпрямительного моста и тиристорного регулятора для сглаживания пульсирующего напряжения. Поскольку тиристор работает в режиме отсечки фазы, на его выходе формируются импульсы тока с частотой 100 Гц (при двухполупериодном выпрямлении). Конденсатор накапливает заряд в моменты подачи импульсов и отдает энергию в паузах между ними.

Емкость конденсатора напрямую влияет на уровень остаточных пульсаций: чем выше номинал, тем меньше амплитуда переменной составляющей. Это критически важно для аккумулятора, так как чрезмерные пульсации вызывают перегрев электролита и ускоренную деградацию пластин. Оптимальное значение емкости подбирается исходя из максимального тока заряда и допустимого коэффициента пульсаций (обычно 5-10%).

Снижение пульсаций: Сглаживает импульсный характер напряжения после тиристорного управления
Стабилизация тока: Поддерживает стабильную величину зарядного тока в интервалах между импульсами
Защита аккумулятора: Уменьшает тепловыделение и электрохимическую коррозию пластин
Подавление помех: Фильтрует высокочастотные помехи от коммутации тиристора

Цепь управления открыванием тиристора

Цепь управления формирует импульсы тока для управляющего электрода тиристора в строго заданные моменты времени, синхронизированные с фазой сетевого напряжения. Её ключевая задача – обеспечить регулировку угла открытия тиристора в течение каждого полупериода переменного тока для управления величиной зарядного тока.

Основу цепи составляет фазосдвигающий контур на резисторе и конденсаторе (RC-цепь). Этот контур создаёт сдвиг фазы напряжения на конденсаторе относительно питающего напряжения сети. Момент достижения порога открытия тиристора определяется скоростью заряда конденсатора.

Компонент	Назначение
Переменный резистор (R)	Регулировка постоянной времени RC-цепи, управление скоростью заряда конденсатора
Конденсатор (C)	Накопление заряда с фазовым сдвигом относительно сетевого напряжения
Диод или стабилитрон (VD)	Защита управляющего перехода от обратного напряжения, передача импульса на электрод

Последовательность работы

В начале полупериода конденсатор начинает заряжаться через переменный резистор от сетевого напряжения
Скорость заряда определяется положением движка резистора (постоянной времени τ = R×C)
При достижении напряжения на конденсаторе порога открытия диода/стабилитрона (U_откр) возникает управляющий ток
Ток через диод поступает на управляющий электрод, переводя тиристор в открытое состояние

Регулировка угла отсечки осуществляется изменением сопротивления резистора:

Увеличение сопротивления → замедление заряда C → позднее открытие тиристора → меньший зарядный ток
Уменьшение сопротивления → ускорение заряда C → раннее открытие → больший зарядный ток

После открытия тиристора цепь управления блокируется прямым падением напряжения на аноде до начала следующего полупериода.

Регулировка тока заряда потенциометром

Потенциометр включен в цепь управления тиристором и выполняет функцию регулировки порога его открытия. Изменяя сопротивление потенциометра, пользователь напрямую влияет на величину напряжения, подаваемого на управляющий электрод тиристора.

Чем выше сопротивление потенциометра, тем позднее срабатывает тиристор в течение каждого полупериода сетевого напряжения. Это уменьшает среднее значение тока, проходящего через аккумулятор. И наоборот: снижение сопротивления приводит к более раннему открытию тиристора и увеличению зарядного тока.

Ключевые особенности регулировки:

Плавная настройка тока в диапазоне от минимального до максимального значения
Зависимость формы выходного напряжения от угла открытия тиристора
Ограничение пиковых токов через диодный мост и тиристор

Последовательность настройки:

Установить потенциометр в положение максимального сопротивления
Подключить амперметр последовательно с аккумулятором
Плавно вращать ручку потенциометра, контролируя показания прибора
Фиксировать необходимое значение тока заряда

Типовые параметры регулировки:

Положение потенциометра	Угол открытия тиристора	Средний ток заряда
Максимальное	150-160°	0.1-0.2 I_max
Среднее	90-120°	0.4-0.6 I_max
Минимальное	30-60°	0.8-0.95 I_max

Регулировка позволяет адаптировать зарядный ток под конкретный тип аккумулятора и степень его разряда. Для гелевых АКБ устанавливают меньший ток, для автомобильных свинцовых – больший, предотвращая перегрев и повреждение батареи.

Схема узла контроля напряжения на аккумуляторе

Узел контроля напряжения строится на основе компаратора (DA1) или транзисторной схемы сравнения. Опорное напряжение формируется стабилитроном VD1, подключенным к источнику стабильного питания через резистор R1. Напряжение с аккумулятора подаётся на вход компаратора через делитель R2-R3, масштабирующий измеряемую величину до уровня эталона.

При достижении на аккумуляторе порогового напряжения (например, 14.4 В для 12В АКБ), сигнал с выхода компаратора переключается. Это вызывает срабатывание транзистора VT1, который разрывает цепь управления тиристором VS1. Тиристор закрывается, прекращая подачу зарядного тока на аккумулятор.

Ключевые компоненты и их функции

Делитель R2-R3: снижает напряжение АКБ до уровня, сопоставимого с опорным
Стабилитрон VD1: создаёт эталонное напряжение сравнения
Компаратор DA1: сравнивает параметр АКБ с эталоном
Транзистор VT1: усиливает сигнал компаратора для управления тиристором
Подстроечный резистор R2: позволяет точно выставить порог отключения

Параметр	Значение	Назначение
VD1	2.5-6V	Формирование опорного напряжения
R2	10-50 кОм	Настройка порога срабатывания
R3	1-5 кОм	Фиксированное плечо делителя

Применение оптрона для гальванической развязки

В тиристорных зарядных устройствах гальваническая развязка управляющей цепи от силовой сети критически важна для безопасности оператора и защиты контроллера. Отсутствие развязки приводит к риску поражения электрическим током при касании регуляторов, а также выходу из строя чувствительной электроники из-за высоковольтных помех и скачков напряжения в сети 220В.

Оптрон решает эту проблему, обеспечивая передачу управляющих сигналов через световой канал без электрического контакта. В схеме зарядного устройства он устанавливается между контроллером (например, на микросхеме TL494) и управляющим электродом тиристора. Светодиод оптрона подключается к выходу ШИМ-контроллера через токоограничивающий резистор, а фототранзистор – в цепь запускающего импульса тиристора.

Принцип работы и особенности реализации

При подаче импульса от контроллера светодиод оптрона излучает свет, мгновенно открывая фототранзистор. Это формирует на его коллекторе импульс тока для управления тиристором. Ключевые параметры выбора оптрона:

Скорость переключения – не менее 10 кГц для точной фазовой регулировки
Коэффициент передачи тока (CTR) от 50% для стабильной работы
Напряжение изоляции – минимум 3-5 кВ (стандарт IEC 60747-5-5)

Типовые схемы включения с защитными элементами:

Компонент	Назначение	Типовые значения
Резистор R_led	Ограничение тока светодиода	470-680 Ом
Резистор R_pullup	Нагрузка фототранзистора	1-2 кОм
Диод VD_protect	Защита от обратного напряжения	1N4148

Преимущества оптронной развязки перед трансформаторной включают малые габариты, отсутствие необходимости в намотке и устойчивость к постоянной составляющей тока. Для повышения помехозащищенности рекомендуется:

Экранирование оптрона металлическим кожухом
Разделение земляных линий управляющей и силовой частей
Установка керамического конденсатора 0.1 мкФ между выводами фотоприемника

Принцип фазоимпульсного регулирования мощности

Фазоимпульсное регулирование основано на управлении моментом открытия тиристора в течение каждого полупериода сетевого напряжения. Вместо полного пропускания синусоиды, тиристор включается с задержкой относительно нулевого перехода напряжения, отсекая начальную часть полуволны. Угол этой задержки (α) определяет продолжительность протекания тока через нагрузку.

Формирование управляющих импульсов осуществляется специальной схемой на динисторе, транзисторах или микросхемах, синхронизированной с сетевым напряжением. Эта схема генерирует короткие импульсы в строго рассчитанные моменты, подавая их на управляющий электрод тиристора. Ширина импульса составляет обычно 10-100 микросекунд.

Ключевые параметры:

Угол отпирания (α): измеряется в градусах (0°-180°), определяет точку включения тиристора
Угол проводимости (θ): длительность открытого состояния тиристора θ = 180° - α
Среднее напряжение: рассчитывается по формуле U_ср = (U_m/π) * (1 + cosα)

Зависимость мощности от угла α:

Угол α (°)	Относительная мощность (%)
0	100
45	85
90	50
135	15
180	0

Преимущества метода включают плавную регулировку мощности, высокий КПД (до 98%) и отсутствие сильных гармоник в сети при правильной фильтрации. Основной недостаток – несинусоидальная форма тока нагрузки, что может создавать помехи.

Формирование управляющих импульсов динистором

Динистор играет ключевую роль в генерации управляющих сигналов для тиристора в зарядных устройствах. Его основная функция – создание резких импульсов напряжения при достижении определенного порога на его выводах. Этот порог, называемый напряжением включения (V_BO), является фиксированной характеристикой конкретного динистора и определяет момент срабатывания всей схемы управления.

Принцип работы основан на лавинном пробое внутренней структуры полупроводника динистора. Пока напряжение на аноде относительно катода не достигнет V_BO, динистор сохраняет высокое сопротивление и ток через него практически отсутствует. Как только напряжение превышает пороговое значение, происходит резкое уменьшение сопротивления, динистор скачкообразно открывается и пропускает значительный ток.

Принцип работы узла управления с динистором

В типичной схеме зарядного устройства динистор включен в цепь управляющего электрода (УЭ) тиристора. Напряжение на динистор подается через цепь зарядки времязадающего конденсатора (С), подключенного к аноду динистора. Резистор (R), включенный последовательно с конденсатором, ограничивает ток зарядки и определяет временные параметры.

Зарядка конденсатора: Через резистор R конденсатор С заряжается от выпрямленного сетевого напряжения. Скорость зарядки зависит от номиналов R и C (постоянная времени τ = R×C).
Достижение порога включения: По мере зарядки напряжение на конденсаторе (и одновременно на аноде динистора) растет. Когда оно достигает величины V_BO динистора, происходит его лавинный пробой.
Формирование импульса: Открывшийся динистор быстро разряжает накопленную в конденсаторе энергию через цепь управляющего электрода тиристора. Этот разрядный ток представляет собой короткий мощный импульс, достаточный для включения (отпирания) тиристора.
Сброс и повтор цикла: После разряда конденсатора напряжение на динисторе падает ниже напряжения удержания (V_H), он закрывается. Конденсатор С начинает заряжаться снова, и цикл повторяется в каждом полупериоде сетевого напряжения.

Факторы, влияющие на момент формирования импульса:

Напряжение включения динистора (V_BO): Основной параметр, задающий порог срабатывания.
Сопротивление зарядного резистора (R): Увеличение R замедляет зарядку конденсатора, задерживая момент достижения V_BO и, следовательно, момент отпирания тиристора в каждом полупериоде.
Емкость времязадающего конденсатора (C): Увеличение C также увеличивает время зарядки до порога V_BO.
Напряжение питающей сети: Амплитуда выпрямленного напряжения определяет скорость роста напряжения на конденсаторе.

Таким образом, варьируя номинал резистора R (часто с помощью переменного резистора или подстроечника), можно плавно регулировать точку на фазе синусоидального напряжения, в которой динистор срабатывает и посылает импульс на тиристор. Это позволяет управлять средней величиной зарядного тока, подаваемого на аккумулятор.

Синхронизация с сетевым напряжением через трансформатор

Трансформатор обеспечивает гальваническую развязку и формирует синхронизирующий сигнал для схемы управления тиристором. Со вторичной обмотки снимается пониженное напряжение, идентичное по фазе и форме сетевому, но безопасное для контроллеров. Этот сигнал подаётся на вход детектора нуля схемы управления.

Детектор нуля преобразует синусоиду в импульсы при каждом переходе сетевого напряжения через ноль. Эти импульсы служат точкой отсчёта для формирования управляющих сигналов тиристора. Без такой синхронизации невозможно обеспечить стабильное открытие тиристора строго в начале полупериода сетевого напряжения.

Ключевые аспекты синхронизации

Компонент	Функция
Трансформатор	Генерация синфазного низковольтного сигнала и гальваническая развязка
Детектор нуля	Фиксация моментов перехода сетевого напряжения через ноль
Генератор импульсов	Формирование управляющих сигналов с регулируемой фазовой задержкой

Принцип регулировки зарядного тока основан на фазовом управлении: схема задерживает момент открытия тиристора относительно нулевой точки. Чем больше задержка, тем меньшая часть полуволны напряжения поступает на аккумулятор. Точность синхронизации критична для:

Стабильности зарядного тока
Предотвращения ложных срабатываний тиристора
Минимизации сетевых помех

Процесс ограничения пускового тока заряда

Пусковой ток возникает при подключении разряженной аккумуляторной батареи к зарядному устройству из-за значительной разницы напряжений между источником и АКБ. В начальный момент ЭДС батареи минимальна, что создаёт условия для протекания тока, многократно превышающего номинальный рабочий уровень. Этот импульс способен повредить тиристоры, диоды или саму аккумуляторную батарею.

Ограничение достигается за счёт введения в схему токоограничивающего резистора последовательно с первичной или вторичной обмоткой трансформатора. Резистор увеличивает полное сопротивление цепи в начальной фазе заряда, снижая скорость нарастания тока. После частичного восстановления напряжения на клеммах АКБ и уменьшения разницы потенциалов, необходимость в сильном ограничении отпадает.

Механизм автоматического снижения сопротивления

Для повышения эффективности вместо постоянного резистора часто применяется термистор с отрицательным ТКС (NTC-термистор):

В холодном состоянии термистор имеет высокое сопротивление, гасящее пиковый ток.
Протекающий ток нагревает термистор, что вызывает уменьшение его сопротивления.
По мере прогрева сопротивление падает до минимальных значений, снижая потери мощности на основном этапе заряда.

Этап заряда	Состояние термистора	Влияние на ток
Начало (АКБ разряжена)	Холодный, высокое R	Ток ограничен до безопасного уровня
Прогрессирование	Нагрев, снижение R	Постепенное увеличение тока заряда
Основной режим	Горячий, низкое R	Номинальный ток с минимальными потерями

Тиристорная схема управления, получая сигнал о напряжении АКБ через цепь обратной связи, регулирует момент открытия тиристора в каждом полупериоде сетевого напряжения. Однако ограничительный резистор или термистор физически предотвращают опасный скачок тока до начала работы системы фазового регулирования тиристора, обеспечивая её корректный запуск.

Защита от переполюсовки аккумуляторных клемм

Неправильное подключение аккумулятора к зарядному устройству (переполюсовка) вызывает мгновенный ток короткого замыкания, способный разрушить диоды выпрямителя, тиристоры и другие компоненты схемы. В тиристорных зарядных устройствах эта проблема особенно критична из-за чувствительности полупроводниковых элементов к обратному напряжению и перегрузкам по току.

Для предотвращения последствий переполюсовки применяются схемотехнические решения, блокирующие подачу напряжения при неправильной полярности подключения. Эффективная защита должна срабатывать мгновенно, до того как ток достигнет разрушающих значений, и не вносить существенных потерь в нормальном режиме работы.

Основные методы защиты

Диодный барьер: Последовательное включение мощного диода в плюсовую цепь заряда. При правильном подключении диод открыт, при переполюсовке – закрыт, блокируя цепь.
Релейная блокировка: Использование электромагнитного реле, управляемого напряжением правильной полярности с аккумулятора. Реле срабатывает только при верном подключении, замыкая силовые контакты.
Предохранитель с плавкой вставкой: Устанавливается на входе схемы. При КЗ от переполюсовки быстро перегорает, разрывая цепь. Требует замены после срабатывания.

Оптимальным подходом считается комбинированная защита: диод или реле обеспечивают основную блокировку, а быстродействующий предохранитель или электронный предохранитель на полевом транзисторе служит резервом на случай отказа основной цепи.

Метод защиты	Преимущества	Недостатки
Диодный барьер	Простота, надежность, низкая стоимость	Падение напряжения (~0.7В), нагрев при больших токах
Релейная блокировка	Нулевое падение напряжения в открытом состоянии	Механический износ, ограниченный ресурс, задержка срабатывания
Электронный предохранитель	Мгновенное отключение, возможность автоматического восстановления	Сложная схема управления, более высокая стоимость

В тиристорных схемах дополнительно защищают управляющий электрод тиристора стабилитроном или супрессором, предотвращая его пробой при переполюсовке. Некоторые продвинутые реализации используют операционные усилители или компараторы для непрерывного контроля полярности и блокировки тиристорного управляющего сигнала при ошибке.

Автоматическое отключение при достижении напряжения отсечки

Реализация автоматического отключения в тиристорных зарядных устройствах базируется на цепи обратной связи, непрерывно контролирующей напряжение на клеммах аккумулятора. При достижении предустановленного порога (напряжения отсечки) система генерирует управляющий сигнал, блокирующий отпирающие импульсы на тиристоре.

Ключевым элементом схемы является компаратор напряжения, сравнивающий фактическое значение с эталонным уровнем, заданным через прецизионный источник (например, стабилитрон или ИОН). При совпадении параметров компаратор переключается, инициируя прекращение подачи тока через силовой ключ.

Принцип работы системы отсечки

Последовательность срабатывания:

Напряжение с аккумулятора через делитель поступает на инвертирующий вход компаратора.
На неинвертирующий вход подаётся опорное напряжение, соответствующее уровню отсечки (например, 14.4В для 12В АКБ).
Пока U_акб < U_опор, компаратор удерживает транзистор управления в открытом состоянии – формируются импульсы на управляющий электрод тиристора.
При U_акб ≥ U_опор компаратор закрывает транзистор, обрывая цепь генерации импульсов – тиристор переходит в закрытое состояние.

Критические компоненты системы:

Делитель напряжения – адаптирует высокое U_акб к диапазону компаратора
Опорный источник – обеспечивает стабильный порог срабатывания (±0.05В)
Транзисторный ключ – коммутирует цепь управления тиристором
RC-фильтр – исключает ложные срабатывания от помех

Параметр	Влияние на отсечку
Точность стабилитрона	Определяет погрешность порога отключения
Коэффициент деления	Корректирует диапазон контролируемого напряжения
Гистерезис компаратора	Предотвращает дребезг контактов при достижении порога

Тепловой режим работы и радиаторы охлаждения

Тиристоры в зарядном устройстве выделяют значительную тепловую мощность, особенно в режиме стабилизации тока или при глубокой фазовой отсечке напряжения. Основными источниками потерь являются прямое падение напряжения на открытом тиристоре (1-2 В) и ток нагрузки, что приводит к выделению тепла по формуле P = U_прям × I_нагр. При токах заряда 5-10 А мощность рассеивания может достигать 10-20 Вт на одном приборе.

Неправильный тепловой режим вызывает перегрев полупроводниковой структуры, снижение надежности, дрейф параметров и тепловой пробой. Максимальная температура перехода тиристора (T_j) обычно ограничена 125-150°C. Для соблюдения этого требования необходимо обеспечить эффективный отвод тепла через корпус прибора в окружающую среду с помощью радиаторов.

Организация теплоотвода

Тепловое сопротивление системы рассчитывается по формуле:

R_Σ = R_j-c + R_c-r + R_r-a

где:

R_j-c – переход-корпус (указывается в даташите)
R_c-r – корпус-радиатор (зависит от типа изоляции и пасты)
R_r-a – радиатор-среда (ключевой параметр выбора радиатора)

Критерии выбора радиатора:

Расчетное тепловое сопротивление R_r-a ≤ (T_{j max} - T_a) / P_{рассеиваемая} - (R_j-c + R_c-r)
Использование теплопроводящих паст для минимизации R_c-r
Принудительное обдувание вентилятором при мощности >50 Вт
Ориентация ребер вертикально для естественной конвекции

Тип корпуса тиристора	Пример R_j-c (°C/Вт)	Рекомендуемый R_r-a (°C/Вт) при P=10Вт
ТО-220 (КУ202)	2.5	≤ 4.0 (T_a=40°C)
ТО-247 (Т122)	1.2	≤ 2.5 (T_a=40°C)

Важно: Для мощных устройств применяют раздельные радиаторы на каждый тиристор, избегая параллельного включения приборов без выравнивающих цепей. Контроль температуры осуществляется термодатчиками или тепловыми реле, отключающими нагрузку при перегреве.

Расчет номиналов резисторов в цепи управления

Основные элементы для расчета включают ограничительный резистор в цепи затвора (Rg) и резисторы времязадающей RC-цепи (R1, R2). Для Rg ключевыми параметрами являются максимальный ток управления затвора (I_GT) и напряжение переключения (V_GT) тиристора, указанные в datasheet. Номинал вычисляется по формуле: Rg = (V_имп - V_GT) / I_GT, где V_имп – амплитуда управляющего импульса. Мощность рассеивания определяется как P = I²_GT × Rg.

Резисторы RC-цепи (R1, R2) регулируют время заряда конденсатора до напряжения пробоя динистора, задавая угол открытия тиристора. Сопротивление R_сум = R1 + R2 рассчитывается исходя из постоянной времени τ = R_сум × C, где τ ≈ T × (ln(V_пик / (V_пик - V_DB)))^-1. Здесь T – период сетевого напряжения, V_пик – пиковое напряжение сети, V_DB – напряжение пробоя динистора. Мощность R1 и R2 должна превышать P = (V_сеть² / R_сум) × k, где k ≥ 1.5 – коэффициент запаса.

Параметры для расчета:
- Технические характеристики тиристора: V_GT, I_GT;
- Напряжение источника управляющих импульсов (V_имп);
- Параметры динистора: V_DB;
- Емкость времязадающего конденсатора (C).
Проверочные условия:
- Rg ≥ 50 Ом (защита от помех);
- τ < 10 мс (для сетевой частоты 50 Гц);
- R_сум ≤ 500 кОм (ограничение утечек).

Резистор	Формула	Критерий выбора
Rg	(V_имп - V_GT) / I_GT	0.5I_GT ≤ I_{реальный} ≤ I_GT
R_сум	τ / C	10 кОм ≤ R_сум ≤ 300 кОм

Пример расчета Rg: При V_имп = 12В, V_GT = 1.5В, I_GT = 20мА: Rg = (12 - 1.5) / 0.02 = 525 Ом → выбираем 510 Ом. Мощность: P = 0.02² × 510 = 0.204 Вт → резистор 0.5 Вт.

Требования к монтажу силовых полупроводниковых элементов

Правильный монтаж тиристоров критичен для стабильной работы зарядного устройства. Нарушение рекомендаций ведёт к перегреву, механическим повреждениям и выходу компонентов из строя.

Ключевые требования включают тепловой менеджмент, электрическую изоляцию и механическую фиксацию. Особое внимание уделяется минимизации паразитных индуктивностей в силовых цепях.

Основные правила установки

Теплоотвод:

Поверхности тиристора и радиатора зачищаются от оксидной плёнки
Наносится термопаста тонким равномерным слоем
Монтажное усилие прижима контролируется динамометрическим ключом (значения указываются в datasheet)

Электрическая изоляция:

Использование слюдяных или керамических прокладок между корпусом и радиатором
Применение изолирующих втулок и шайб для крепёжных элементов
Проверка сопротивления изоляции мегомметром (>100 МОм)

Параметр	Рекомендация
Крутящий момент	0.5-0.8 Н·м для типовых корпусов ТО-247
Термосопротивление	≤1.5°C/Вт для мощных моделей (>25А)
Зазор до других компонентов	≥15 мм по воздуху, ≥8 мм по поверхности

Важно: Силовые выводы тиристоров соединяются жёсткими шинами или проводом большого сечения. Паяные соединения исключают холодные пайки. В цепях управления обязательна установка RC-цепей для подавления коммутационных перенапряжений.

Наладка порога срабатывания схемы стабилизации

Наладку порога срабатывания стабилизации напряжения начинают с установки переменного резистора, отвечающего за регулировку порога (часто обозначен как Подстр. Uстаб или аналогично), в среднее положение. К выходным клеммам зарядного устройства подключают вольтметр с высоким входным сопротивлением и регулируемый источник постоянного напряжения, имитирующий напряжение заряжаемой батареи. Постепенно увеличивая напряжение от источника, следят за показаниями вольтметра на выходе схемы стабилизации и состоянием тиристора.

Момент резкого ограничения роста выходного напряжения (или его стабилизации на заданном уровне) при дальнейшем увеличении входного имитирующего напряжения соответствует точке срабатывания стабилизации. Если измеренное напряжение стабилизации не соответствует требуемому (например, 14.2В для 12В АКБ), регулировочным резистором добиваются нужного значения. Важно проверить гистерезис: после срабатывания стабилизации немного снижают входное напряжение и фиксируют момент полного открытия тиристора и возобновления роста выходного напряжения – разница напряжений срабатывания и отпускания должна быть небольшой (0.1-0.3В).

Ключевые этапы и параметры

Для точной настройки и проверки используйте следующую последовательность:

Имитация входного напряжения: Используйте лабораторный БП с плавной регулировкой.
Контроль выходного напряжения: Подключите цифровой мультиметр к выходу стабилизатора.
Определение точки срабатывания: Плавно повышайте входное напряжение до момента стабилизации выхода.
Корректировка порога: Вращайте подстроечный резистор для установки точного U_стаб.
Проверка гистерезиса: Снижайте входное напряжение до возобновления роста U_вых, зафиксируйте разницу.

Проверка стабильности: После установки порога рекомендуется проверить стабильность работы при изменении нагрузки (подключив мощный резистор) и температуры окружающей среды. Температурный дрейф параметров стабилитрона в цепи управления тиристором может незначительно влиять на порог срабатывания.

Регулируемый элемент	Инструмент контроля	Целевой параметр
Подстроечный резистор Uстаб	Цифровой вольтметр	Точное напряжение стабилизации (напр., 14.2В ±0.1В)
-	Осциллограф / Вольтметр	Наличие гистерезиса (0.1-0.3В), стабильность U_вых при скачках U_вх и I_нагр

Калибровка шкалы регулировки тока заряда

Калибровка необходима для точного соответствия положений ручки потенциометра реальным значениям зарядного тока. Без корректной настройки показания шкалы будут произвольными, что приведёт к ошибкам в выборе режима заряда и риску повреждения аккумулятора.

Для проведения калибровки потребуется контрольный амперметр с точностью не ниже 1.5% и нагрузочный резистор, способный рассеивать максимальную мощность устройства. Аккумулятор не используется – вместо него подключается резистор с расчётным сопротивлением 0.5-2 Ом (в зависимости от диапазона токов).

Порядок калибровки

Соберите схему: выход зарядного устройства → нагрузочный резистор → контрольный амперметр.
Установите потенциометр регулировки тока в минимальное положение.
Подайте питание на устройство и плавно вращайте ручку потенциометра.
Фиксируйте показания контрольного амперметра при крайних и промежуточных положениях регулятора:

Положение метки Ток (А)

MIN 0.1-0.2

25% [Значение]

50% [Значение]

75% [Значение]

MAX Номинальный ток устройства
Нанесите на шкалу метки согласно полученным значениям, учитывая нелинейность регулировки из-за особенностей тиристорного управления.
Проверьте точность в рабочих условиях под нагрузкой на аккумуляторе.

Проверка работоспособности тиристора мультиметром

Перед проверкой убедитесь в отсутствии напряжения на схеме. Переведите мультиметр в режим прозвонки или измерения сопротивления (диапазон 2000 Ом). Определите расположение выводов тиристора: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (УЭ).

Проверка включает два этапа: тестирование перехода УЭ-К и проверку поведения цепи А-К при подаче управляющего сигнала. Для точности результатов тиристор рекомендуется выпаять из платы.

Последовательность проверки

Проверка перехода УЭ-К:
- Подключите красный щуп к УЭ, черный – к К. Исправный переход покажет 50-500 Ом (прямое сопротивление)
- Поменяйте щупы местами: сопротивление должно стремиться к бесконечности
Проверка цепи А-К:
- Установите красный щуп на А, черный – на К. Исправный тиристор покажет обрыв (∞)
- Коснитесь управляющим электродом анода (красного щупа)
- Мультиметр должен показать скачок сопротивления до 20-100 Ом
- После размыкания УЭ и А показания должны сохраниться (тиристор остаётся открытым)

Тестируемое состояние	Подключение щупов	Ожидаемое показание
УЭ-К (прямое)	+ на УЭ, - на К	50-500 Ом
УЭ-К (обратное)	+ на К, - на УЭ	∞
А-К (исходное)	+ на А, - на К	∞
А-К после подачи УЭ	+ на А, - на К + касание УЭ-А	20-100 Ом

Критерии неисправности: нулевое сопротивление во всех проверках указывает на пробой, бесконечное сопротивление на УЭ-К – на обрыв перехода. Отсутствие реакции на управляющий сигнал свидетельствует о нарушении структуры прибора.

Для мощных тиристоров ток мультиметра может быть недостаточным для удержания открытого состояния. В этом случае используйте источник питания 3-12 В с лампочкой или резистором 100-500 Ом в цепи А-К.

Типовые неисправности и методика поиска дефектов

Типичные неисправности в зарядных устройствах на тиристорах обычно затрагивают ключевые компоненты силовой части и цепи управления. Наиболее часто выходят из строя сами тиристоры (пробой, обрыв), элементы задающего генератора и цепи управления (транзисторы, динисторы, резисторы, конденсаторы), возникает обрыв или плохой контакт в первичной или вторичной цепи трансформатора, перегорают предохранители. Нестабильность работы часто вызвана дефектами в цепи обратной связи по току/напряжению.

Поиск неисправности требует системного подхода, начиная с проверки наличия питающих напряжений и заканчивая тестированием отдельных полупроводниковых приборов. Методика включает визуальный осмотр, измерения напряжений в контрольных точках, проверку осциллографом управляющих сигналов и прозвонку компонентов на предмет обрыва или короткого замыкания.

Последовательность поиска неисправности

Визуальный осмотр и проверка предохранителей: Ищите следы перегрева, потемнения платы, вздутые конденсаторы, обугленные резисторы. Прозвоните предохранители (F1, F2).
Проверка входного и выходного напряжения:
- Убедитесь в наличии сетевого напряжения (~220В) на входных клеммах устройства.
- Проверьте напряжение на вторичной обмотке силового трансформатора (должно быть переменное, соответствующее номиналу).
- Измерьте постоянное напряжение на выходных клеммах устройства (должно быть близко к напряжению холостого хода, указанному в характеристиках).
Проверка цепей управления:
- Измерьте напряжение питания микросхемы управления (если есть) или задающего генератора на транзисторах/динисторе.
- С помощью осциллографа проверьте наличие и форму импульсов на управляющих электродах (УЭ) тиристоров. Импульсы должны быть короткими, синхронизированными с фазой сетевого напряжения.
- Проверьте элементы цепи обратной связи (трансформатор тока, шунт, подстроечные резисторы, операционный усилитель).
Проверка силовых компонентов (после полного обесточивания!):
- Тиристоры: Прозвоните мультиметром в режиме диода между анодом (А) и катодом (К) – должно быть высокое сопротивление в обоих направлениях. Между управляющим электродом (УЭ) и катодом (К) – сопротивление в прямом направлении (красный щуп на УЭ, черный на К) должно быть значительно ниже, чем в обратном.
- Диоды выпрямительного моста: Проверьте каждый диод на пробой и обрыв мультиметром в режиме диода.
- Силовой трансформатор: Прозвоните обмотки на предмет обрыва, проверьте сопротивление между обмотками и корпусом на пробой (сопротивление должно быть очень высоким, в МОм).
Проверка пассивных элементов: Выпаяйте и измерьте номиналы подозрительных резисторов (особенно в цепях управления и ОС), проверьте конденсаторы на емкость и ESR (эквивалентное последовательное сопротивление).

Признак неисправности	Возможная причина
Полное отсутствие выходного напряжения	Перегорел предохранитель (F1, F2) Обрыв в первичной обмотке трансформатора или сетевом проводе Обрыв в цепи вторичной обмотки или выходных клемм Пробой силового тиристора или диодов моста Неисправность цепи управления (нет импульсов на УЭ тиристора)
Выходное напряжение есть, но зарядный ток отсутствует или очень мал	Обрыв или плохой контакт в цепи обратной связи (трансформатор тока, шунт) Неисправность цепи управления (слабые/короткие импульсы на УЭ) Сильное загрязнение платы, утечки Неисправность ОУ или элементов в цепи регулировки тока Частичная неисправность тиристора (плохо открывается)
Зарядный ток не регулируется или регулируется скачкообразно	Неисправность подстроечного резистора регулировки тока Проблемы в цепи обратной связи (обрыв, плохой контакт) Нестабильная работа задающего генератора (плохие контакты, неисправные конденсаторы/транзисторы) Неисправность операционного усилителя (если используется)
Сильный нагрев тиристора или трансформатора	Перегрузка по току (короткое замыкание в нагрузке или внутри ЗУ) Недостаточное охлаждение тиристора (сломавшийся вентилятор, забит радиатор) Частичный пробой тиристора Межвитковое замыкание в обмотках трансформатора Неисправность цепи управления (тиристор открыт постоянно или на слишком большой угол)

Важные замечания: Все измерения силовой части под напряжением требуют крайней осторожности и соблюдения правил электробезопасности. Проверку тиристоров, диодов, трансформатора и пассивных элементов проводите только после полного отключения устройства от сети и разряда конденсаторов. Для тестирования тиристора на открытие мультиметром может не хватить тока через УЭ; используйте схему с батарейкой и лампочкой или специальный тестер. Помните, что причиной нестабильной работы часто являются плохие пайки и контакты.

Эксплуатационные меры защиты от сетевых помех

Сетевые помехи (импульсные скачки напряжения, высокочастотные наводки) способны нарушить работу тиристорного зарядного устройства, вызывая ложные срабатывания силовых ключей или повреждение элементов. Для обеспечения стабильности применяют комплекс аппаратных решений, интегрируемых непосредственно в схему.

Фильтрация входящего напряжения – обязательный этап. LC-фильтры (дроссель + конденсатор) на входе устройства подавляют высокочастотные помехи, предотвращая их проникновение в цепь управления тиристорами. Варисторы, установленные параллельно сети, ограничивают импульсные перенапряжения, шунтируя энергию скачков на землю при превышении порога срабатывания.

Дополнительные защитные меры

Экранирование: Чувствительные цепи (особенно управления) размещают в экранированных корпусах или отделяют от силовых трасс экранами, подключенными к общему проводу заземления.
Заземление: Корпус устройства и экраны надежно соединяют с контуром защитного заземления для отвода наведенных токов и потенциалов.
Сетевой дроссель: Последовательная установка дросселя повышает импеданс цепи для ВЧ-помех и сглаживает броски тока при включении.

Элемент защиты	Тип помехи	Принцип действия
Варистор (MOV)	Импульсные перенапряжения	Резкое снижение сопротивления при превышении порога, шунтирование энергии
LC-фильтр	ВЧ-наводки, гармоники	Подавление высоких частот за счет реактивного сопротивления
Снабберная RC-цепь	Коммутационные выбросы	Поглощение энергии индуктивных скачков при переключении тиристора

Отдельное внимание уделяют развязке цепей: оптроны или трансформаторы гальванически изолируют низковольтную схему управления от силовой сети, исключая прохождение помех через общие шины. Снабберные RC-цепи, установленные параллельно аноду и катоду тиристора, гасят коммутационные выбросы напряжения при его запирании.

Регулярная проверка элементов защиты (визуальный осмотр варисторов на трещины/почернение, измерение емкости конденсаторов фильтра) – критически важная эксплуатационная процедура. Поврежденные компоненты немедленно заменяют для сохранения работоспособности всего комплекса мер.

Сравнение со схемами на симисторах и релейных модулях

Тиристорные зарядные устройства обеспечивают плавное регулирование тока заряда за счет фазового управления, что позволяет точно поддерживать заданные параметры на разных стадиях процесса. Они отличаются высокой надежностью при работе с индуктивными нагрузками и устойчивостью к перегрузкам благодаря полупроводниковой природе компонентов. Однако такие схемы требуют сложной системы управления с датчиками тока и генераторами импульсов для корректного отпирания тиристоров.

В отличие от тиристорных решений, симисторные схемы способны управлять током в обоих направлениях, что упрощает конструкцию для сетей переменного напряжения без необходимости мостовых выпрямителей. При этом они сохраняют преимущества плавной регулировки, но более чувствительны к скоростным перепадам напряжения (dU/dt), что может приводить к ложным срабатываниям. Релейные модули принципиально отличаются дискретным включением/отключением нагрузки, что исключает возможность тонкой регулировки тока.

Ключевые отличия технологий

Параметр	Тиристорная схема	Симисторная схема	Релейный модуль
Точность регулировки	Плавная (аналоговая)	Плавная (аналоговая)	Ступенчатая (дискретная)
Управление нагрузкой	Однополярное	Двухполярное	Любое
Электромагнитные помехи	Средние (при коммутации)	Высокие (при нулевом токе)	Минимальные
Износ компонентов	Отсутствует	Отсутствует	Механический износ контактов

Преимущества релейных систем проявляются в простоте реализации и низкой стоимости для базовых задач, где не требуется точная стабилизация тока. Однако механические контакты:

Ограничены по количеству срабатываний (ресурс 50-100 тыс. циклов)
Создают дуговые разряды при коммутации больших токов
Имеют задержки срабатывания 5-20 мс

Для критичных к точности зарядных процессов тиристорные схемы предпочтительнее из-за:

Возможности динамической коррекции тока в реальном времени
Отсутствия дребезга контактов
Более чистой формы выходного сигнала по сравнению с симисторами

Практические ограничения максимального тока заряда

Максимальный ток заряда ограничивается тепловыми характеристиками компонентов схемы: тиристоров, диодов и трансформатора. При увеличении тока растут потери мощности на полупроводниковых приборах, вызывая их нагрев. Превышение допустимой температуры перехода ведёт к тепловому пробою тиристоров и деградации характеристик диодов.

Падение напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора, тиристорах и соединительных проводах снижает эффективное напряжение на клеммах аккумулятора. Это ограничивает ток заряда, особенно при глубоком разряде батареи. Дополнительным фактором является максимальный допустимый ток заряда самого аккумулятора, превышение которого вызывает перегрев, коробление пластин и сокращение ресурса.

Ключевые ограничивающие факторы

Тепловой режим тиристоров: Рабочий ток не должен превышать значения, при котором температура p-n-перехода выходит за пределы, указанные в datasheet. Необходимы расчёт теплового сопротивления и подбор радиаторов.
Параметры трансформатора: Токовая нагрузка на вторичную обмотку ограничена сечением провода и магнитными свойствами сердечника. Перегрузка вызывает перегрев обмоток и увеличение потерь в меди.
Вентильные диоды: В схемах с входным диодным мостом диоды должны выдерживать импульсный ток заряда конденсаторов. Требуется запас по току минимум 20-30% от номинала.
Сопротивление цепи: Суммарное сопротивление проводов, контактов и дорожек печатной платы создаёт падение напряжения ΔU = I_зар × R_цепи, уменьшая напряжение на аккумуляторе.
Импульсный характер тока: При фазовом управлении тиристорами ток имеет импульсную форму с высоким коэффициентом амплитуды, что увеличивает действующее значение тока и тепловую нагрузку.

Автоматизация цикла восстановления аккумуляторных батарей

Тиристорное зарядное устройство обеспечивает автоматизацию цикла восстановления аккумуляторов за счёт точного управления током и напряжением на каждом этапе. Ключевым элементом автоматизации выступает схема контроля напряжения на клеммах АКБ, которая через компаратор или микроконтроллер воздействует на управляющий электрод тиристора. При достижении заданных пороговых значений (например, 14.4В для 12В батареи) система переключает режимы работы или прекращает заряд.

Автоматический цикл включает фазы десульфатации, основного заряда и поддержания ёмкости. Тиристор, работая в режиме электронного ключа, позволяет плавно регулировать среднее значение зарядного тока путём изменения угла открытия в каждом полупериоде сетевого напряжения. Это исключает перегрев и перезаряд, критически важные при восстановлении сульфатированных батарей.

Этапы автоматизированного цикла восстановления

Типовая последовательность контролируемых фаз:

Импульсная десульфатация: Короткие высокоамплитудные импульсы тока (20-30% от ёмкости) разрушают сульфат свинца на пластинах
Основной заряд CC/CV: Постоянный ток (0.1C) до достижения напряжения отсечки с последующим переходом на стабилизацию напряжения
Компенсация саморазряда: Периодические подзаряды микродозами тока при падении напряжения ниже 12.8В

Параметр	Режим десульфатации	Режим основного заряда
Длительность импульса	2-5 мс	Непрерывно
Угол открытия тиристора	10-30°	60-120°
Контролируемый параметр	Амплитуда тока	Напряжение на клеммах

Для реализации алгоритма применяются аппаратные (аналоговые компараторы, таймеры) и программные (микроконтроллер с АЦП) решения. Критерием завершения цикла служит стабилизация напряжения в течение 2 часов при отсутствии роста ёмкости. Система автоматически отключает нагрузку через симистор или реле, предотвращая глубокий разряд.

Список источников

При изучении схем зарядных устройств на тиристорах необходимо опираться на технически точные материалы, освещающие принципы управления фазовыми углами и особенности силовой электроники. Это гарантирует корректное понимание процессов регулирования тока заряда аккумуляторных батарей.

Следующие источники содержат детальные описания тиристорных ключей, схемотехники узлов управления и методик расчёта параметров компонентов для подобных устройств. Они охватывают как классические решения, так и современные модификации схем.

Германенко Н.И. "Импульсные и тиристорные устройства" - М.: Радио и связь, 1984
Журнал "Радио": Статьи по тиристорным регуляторам мощности (архивные выпуски 1980-2010 гг.)
Семенов Б.Ю. "Силовая электроника для любителей и профессионалов" - М.: Солон-Пресс, 2001
Техническая документация производителей тиристоров (серии КУ202, Т122, Т160)
Учебное пособие "Устройства управления тиристорами" (МЭИ, каф. Электротехники)
Форум EDaCH: Обсуждения практических схем зарядных устройств с фазовым регулированием
Хрулев А.К. "Зарядные устройства для аккумуляторов" - СПб: Наука и техника, 2005

Положение метки	Ток (А)
MIN	0.1-0.2
25%	[Значение]
50%	[Значение]
75%	[Значение]
MAX	Номинальный ток устройства