Тиристорные регуляторы мощности являются одной из самых распространенных радиолюбительских конструкций, и в этом нет ничего удивительного. Ведь всем, кто когда-нибудь пользовался обычным 25 - 40 ваттным паяльником, способность его к перегреванию даже очень известна. Паяльник начинает дымить и шипеть, потом, достаточно скоро, облуженное жало выгорает, становится черным. Паять таким паяльником уже совсем невозможно.
И вот тут на помощь и приходит регулятор мощности, с помощью которого можно достаточно точно выставить температуру для пайки. Ориентироваться следует на то, чтобы при касании паяльником куска канифоли она дымила ну, так, средне, без шипения и брызг, не очень энергично. Ориентироваться следует на то, чтобы пайка получалась контурной, блестящей.
Чтобы не усложнять рассказ, не будем рассматривать тиристор в виде его четырехслойной p-n-p-n структуры, рисовать вольтамперную характеристику, а просто на словах опишем, как же он, тиристор, работает. Для начала в цепи постоянного тока, хотя в этих цепях тиристоры почти не применяются. Ведь выключить тиристор, работающий на постоянном токе достаточно сложно. Все равно, что коня на скаку остановить.
И все же большие токи и высокие напряжения тиристоров привлекают разработчиков различной, как правило, достаточно мощной аппаратуры постоянного тока. Для выключения тиристоров приходится идти на различные усложнения схем, ухищрения, но в целом результаты получаются положительными.
Обозначение тиристора на принципиальных схемах показано на рисунке 1.
Рисунок 1. Тиристор
Нетрудно заметить, что по своему обозначению на схемах, тиристор очень похож на . Если разобраться, то он, тиристор, тоже обладает односторонней проводимостью, а следовательно, может выпрямлять переменный ток. Вот только делать это он будет лишь в том случае, когда на управляющий электрод подано относительно катода положительное напряжение, как показано на рисунке 2. По старой терминологии тиристор иногда называли управляемым диодом. Покуда не подан управляющий импульс, тиристор закрыт в любом направлении.
Рисунок 2.
Как включить светодиод
Здесь все очень просто. К источнику постоянного напряжения 9В (можно использовать батарейку «Крона») через тиристор Vsx подключен светодиод HL1 с ограничительным резистором R3. С помощью кнопки SB1 напряжение с делителя R1, R2 может быть подано на управляющий электрод тиристора, и тогда тиристор откроется, светодиод начинает светиться.
Если теперь отпустить кнопку, перестать ее удерживать в нажатом состоянии, то светодиод должен продолжать светиться. Такое кратковременное нажатие на кнопку можно назвать импульсным. Повторное и даже многократное нажатие этой кнопки ничего не изменит: светодиод не погаснет, но и не станет светить ярче или тусклее.
Нажали - отпустили, а тиристор остался в открытом состоянии. Причем, это состояние является устойчивым: тиристор будет открыт до тех пор, пока из этого состояния его не выведут внешние воздействия. Такое поведение схемы говорит об исправном состоянии тиристора, его пригодности для работы в разрабатываемом или ремонтируемом устройстве.
Маленькое замечание
Но из этого правила часто случаются исключения: кнопку нажали, светодиод зажегся, а когда кнопку отпустили, то погас, как, ни в чем не бывало. И в чем же тут подвох, что сделали не так? Может кнопку нажимали недостаточно долго или не очень фанатично? Нет, все было сделано достаточно добросовестно. Просто ток через светодиод оказался меньше, чем ток удержания тиристора.
Чтобы описанный опыт прошел удачно, надо просто заменить светодиод лампой накаливания, тогда ток станет больше, либо подобрать тиристор с меньшим током удержания. Этот параметр у тиристоров имеет значительный разброс, иногда даже приходится тиристор для конкретной схемы подбирать. Причем одной марки, с одной буквой и из одной коробки. Несколько лучше с этим током у импортных тиристоров, которым в последнее время отдается предпочтение: и купить проще, и параметры лучше.
Как закрыть тиристор
Никакие сигналы, поданные на управляющий электрод, закрыть тиристор и погасить светодиод не смогут: управляющий электрод может только включить тиристор. Существуют, конечно, запираемые тиристоры, но их назначение несколько иное, чем банальные регуляторы мощности или простые выключатели. Обычный тиристор можно выключить лишь только прервав ток через участок анод - катод.
Сделать это можно, как минимум, тремя способами. Во-первых, тупо отключить всю схему от батарейки. Вспоминаем рисунок 2. Естественно, что светодиод погаснет. Но при повторном подключении он сам по себе не включится, поскольку тиристор остался в закрытом состоянии. Это состояние также является устойчивым. И вывести его из этого состояния, Зажечь свет, поможет только нажатие кнопки SB1.
Второй способ прервать ток через тиристор это просто взять и замкнуть выводы катода и анода проволочной перемычкой. При этом весь ток нагрузки, в нашем случае это всего - лишь светодиод, потечет через перемычку, а ток через тиристор будет равен нулю. После того, как перемычка будет убрана, тиристор закроется, и светодиод погаснет. При опытах с подобными схемами в качестве перемычки чаще всего используется пинцет.
Предположим, что вместо светодиода в этой схеме будет достаточно мощная нагревательная спираль с большой тепловой инерцией. Тогда получается практически готовый регулятор мощности. Если коммутировать тиристор таким образом, что на 5 секунд спираль включена и столько же времени выключена, то в спирали выделяется 50-ти процентная мощность. Если же за время этого десятисекундного цикла включение производится лишь на 1 секунду, то совершенно очевидно, что спираль выделит только 10% тепла от своей мощности.
Примерно с такими временными циклами, измеряемыми в секундах, работает регулировка мощности в микроволновой печи. Просто с помощью реле включается и выключается ВЧ излучение. Тиристорные регуляторы работают на частоте питающей сети, где время измеряется уже миллисекундами.
Третий способ выключения тиристора
Состоит в том, чтобы до нуля уменьшить напряжение питания нагрузки, а то и вовсе изменить полярность питающего напряжения на противоположную. Именно такая ситуация получается при питании тиристорных схем переменным синусоидальным током.
При переходе синусоиды через нуль, она меняет знак на противоположный, поэтому ток через тиристор становится меньше тока удержания, а затем и вовсе равным нулю. Таким образом, проблема выключения тиристора решается как бы сама собой.
Тиристорные регуляторы мощности. Фазовое регулирование
Итак, дело осталось за малым. Чтобы получилось фазовое регулирование, надо просто в определенное время подать управляющий импульс. Другими словами импульс должен иметь определенную фазу: чем ближе он будет расположен к концу полупериода переменного напряжения, тем меньшая амплитуда напряжения окажется на нагрузке. Фазовый способ регулирования показан на рисунке 3.
Рисунок 3. Фазовое регулирование
В верхнем фрагменте картинки управляющий импульс подается почти в самом начале полупериода синусоиды, фаза управляющего сигнала близка к нулю. На рисунке это время t1, поэтому тиристор открывается почти в начале полупериода, а в нагрузке выделяется мощность близкая к максимальной (если бы в цепи не было тиристоров, мощность была бы максимальной).
Сами управляющие сигналы на этом рисунке не показаны. В идеальном варианте они представляют собой короткие положительные относительно катода импульсы, поданные в определенной фазе на управляющий электрод. В простейших схемах это может быть линейно нарастающее напряжение, получаемое при заряде конденсатора. Об этом будет рассказано несколько ниже.
На среднем графике управляющий импульс подается в средине полупериода, что соответствует фазовому углу Π/2 или моменту времени t2, поэтому в нагрузке выделяется лишь половина максимальной мощности.
На нижнем графике открывающие импульсы подаются очень близко к окончанию полупериода, тиристор открывается почти перед тем, как ему предстоит закрыться, по графику это время обозначено как t3, соответственно мощность в нагрузке выделяется незначительная.
Схемы включения тиристоров
После краткого рассмотрения принципа работы тиристоров, наверное, можно привести несколько схем регуляторов мощности . Нового здесь ничего не изобретено, все можно найти в сети Интернет или в старых радиотехнических журналах. Просто в статье приводится краткий обзор и описание работы схем тиристорных регуляторов . При описании работы схем будет обращаться внимание на то, каким образом используются тиристоры, какие существуют схемы включения тиристоров.
Как было сказано в самом начале статьи, тиристор выпрямляет переменное напряжение как обычный диод. Получается однополупериодное выпрямление. Когда-то именно так, через диод, включались лампы накаливания на лестничных клетках: света совсем чуть, в глазах рябит, но зато лампы перегорают очень редко. То же самое получится, если светорегулятор выполнить на одном тиристоре, только появляется еще возможность регулирования уже и так незначительной яркости.
Поэтому регуляторы мощности управляют обоими полупериодами сетевого напряжения. Для этого применяется встречно - параллельное включение тиристоров, или включение тиристора в диагональ выпрямительного моста.
Для наглядности этого утверждения далее будут рассмотрены несколько схем тиристорных регуляторов мощности. Иногда их называют регуляторами напряжения, и какое название вернее, решить трудно, ведь вместе с регулированием напряжения регулируется и мощность.
Простейший тиристорный регулятор
Он предназначен для регулирования мощности паяльника. Его схема показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема простейшего тиристорного регулятора мощности
Регулировать мощность паяльника, начиная от нуля, нет никакого смысла. Поэтому можно ограничиться регулированием только одного полупериода сетевого напряжения, в данном случае положительного. Отрицательный полупериод проходит без изменений через диод VD1 сразу на паяльник, что обеспечивает его половинную мощность.
Положительный полупериод проходит через тиристор VS1, позволяющий осуществлять регулирование. Цепь управления тиристором предельно проста. Это резисторы R1, R2 и конденсатор C1. Конденсатор заряжается по цепи: верхний провод схемы, R1, R2 и конденсатор C1, нагрузка, нижний провод схемы.
К плюсовому выводу конденсатора подключен управляющий электрод тиристора. Когда напряжение на конденсаторе возрастает до напряжения включения тиристора, последний открывается, пропуская в нагрузку положительный полупериод напряжения, вернее его часть. Конденсатор C1 при этом, естественно, разряжается, тем самым подготавливаясь к следующему циклу.
Скорость заряда конденсатора регулируется с помощью переменного резистора R1. Чем быстрее конденсатор зарядится до напряжения открывания тиристора, тем раньше тиристор откроется, тем большая часть положительного полупериода напряжения поступит в нагрузку.
Схема простая, надежная, для паяльника вполне подходит, хотя регулирует лишь один полупериод сетевого напряжения. Очень похожая схема показана на рисунке 5.
Рисунок 5. Тиристорный регулятор мощности
Она несколько сложней предыдущей, но позволяет осуществлять регулировку более плавно и точно, благодаря тому, что схема формирования управляющих импульсов собрана на двухбазовом транзисторе КТ117. Этот транзистор предназначен для создания генераторов импульсов. Больше, кажется, ни на что другое не способен. Подобная схема используется во многих регуляторах мощности, а также в импульсных блоках питания в качестве формирователя запускающего импульса.
Как только напряжение на конденсаторе C1 достигает порога срабатывания транзистора, последний открывается и на выводе Б1 появляется положительный импульс, открывающий тиристор VS1. Резистором R1 можно регулировать скорость заряда конденсатора.
Чем быстрее зарядится конденсатор, тем раньше появится открывающий импульс, тем большее напряжение поступит в нагрузку. Вторая полуволна сетевого напряжения проходит в нагрузку через диод VD3 без изменений. Для питания схемы формирователя управляющих импульсов используется выпрямитель VD2, R5, стабилитрон VD1.
Тут можно спросить, а когда же откроется транзистор, каков же порог срабатывания? Открывание транзистора происходит в тот момент, когда напряжение на его эмиттере Э превысит напряжение на базе Б1. Базы Б1 и Б2 не равноценны, если их поменять местами, то генератор не заработает.
На рисунке 6 показана схема, позволяющая регулировать оба полупериода напряжения.
Рисунок 6.
НЕСКОЛЬКО ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ РЕГУЛЯТОРОВ МОЩНОСТИ
РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ НА СИМИСТОРЕ
Особенностями предлагаемого устройства являются использование D - триггера для построения
генератора, синхронизированного с сетевым напряжением, и способ управления симистором с помощью одиночного
импульса, длительность которого регулируется а втоматически. В отличие от других способов импульсного
управления симистором, указанный способ некритичен к наличию в нагрузке индуктивной сос тавляющей. Импульсы
генератора следуют с периодом приблизительно 1,3 с.
Питание микросхемы DD 1 производится током, протекающим через защитный диод, находящийся
внутри микросхемы между ее выводами 3 и 14. Он течет, когда напряжение на этом выводе, соединенном с
сетью через резистор R 4 и диод VD 5, превышает на пряжение стабилизации стабилитрона VD 4.
К. ГАВРИЛОВ, Радио, 2011, №2, с. 41
ДВУХКАНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ
Регулятор содержит два независимых канала и позволяет поддерживать требуемую температуру для различных нагру зок: температуры жала паяльника, электроутюга, электрообогревателя, электроплиты и др. Глубина регулирования составляет 5...95% мощности питающей сети. Схема регулятора питается выпрямленным напряжением 9...11 В с трансформаторной развязкой от сети 220 В с малым током потребления.
В.Г. Никитенко, О.В. Никитенко, Радiоаматор, 2011, №4, с. 35
СИМИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ
Особенностью этого симисторного регулятора является то, что число подаваемых на нагрузку полупериодов
сетевого на пряжения при любом положении органа управления оказывается четным. В результате, не образуется постоянная составляющая потребляемого тока и, следовательно, отсутствует подмагничивание магнитопроводов
подклю ченных к регулятору трансформа торов и электродвигателей. Мощность р егулируется изменением числа
периодов переменного на пряжения, приложенного к нагруз ке за определенный интервал времени. Регулятор
предназначен для ре гулирования мощности приборов, обладающих значительной инерци ей (нагревателей и
т. п.).
Для регу лирован ия яркости освещения он не пригоден, т. к. лампы будут сильно мигать.
В. КАЛАШНИК, Н. ЧЕРЕМИСИНОВА, В. ЧЕРНИКОВ, Радиомир, 2011, № 5 , с. 17 - 18
БЕСПОМЕХОВЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ
Большинство регуляторов напряжения (мощности) выполнено на тиристорах по схеме с фазоимпульсным управлением. Как известно, подобные устройства создают заметный уровень радиопомех. Предлагаемый
регулятор свободен от этого недостатка. Особенность предлагаемого регулятора - управление амплитудой переменного
напряжения, при котором не искажается форма выходного сигнала, в отличие от фазоимпульсного управления.
Регулирующий элемент - мощный транзистор VT1 в диагонали диодного моста VD1-VD4, включенного
последовательно с нагрузкой. Основной недостаток устройства - его низкий КПД. Когда транзистор закрыт,
ток через выпрямитель и нагрузку не проходит. Если на базу транзистора подать напряжение управления, он
открывается, через его участок коллектор-эмиттер, диодный мост и нагрузку начинает проходить ток. Напряжение
на выходе регулятора (на нагрузке) увеличивается. Когда транзистор открыт и находится в режиме насыщения,
к нагрузке приложено практически все сетевое (входное) напряжение. Управляющий сигнал формирует маломощный
блок питания, собранный на трансформаторе Т1, выпрямителе VD5 и сглаживающем конденсаторе С1.
Переменным резистором R1 регулируют ток базы транзистора, а следовательно, и амплитуду выходного
напряжения. При перемещении движка переменного резистора в верхнее по схеме положение напряжение на выходе
уменьшается, в нижнее - увеличивается. Резистор R2 ограничивает максимальное значение тока управления.
Диод VD6 защищает узел управления при пробое коллекторного перехода транзистора. Регулятор напряжения
смонтирован на плате из фольгиро- ванного стеклотекстолита толщиной 2,5 мм. Транзистор VT1 следует установить
на теплоотвод площадью не менее 200 см2. При необходимости диоды VD1-VD4 заменяют более мощными, например
Д245А, и также размещают на теплоотводе.
Если устройство собрано без ошибок, оно начинает работать сразу и практически не требует
налаживания. Необходимо лишь подобрать резистор R2.
С регулирующим транзистором КТ840Б мощность нагрузки не должна превышать
60 Вт
. Его можно заменить приборами: КТ812Б, КТ824А, КТ824Б, КТ828А, КТ828Б с допустимой рассеиваемой
мощностью 50 Вт.; КТ856А -75 Вт.; КТ834А, КТ834Б - 100 Вт.; КТ847А-125 Вт. Мощность нагрузки допустимо
увеличить, если регулирующие транзисторы одного типа включить параллельно: коллекторы и эмиттеры соединить
между собой, а базы через отдельные диоды и резисторы подключить к движку переменного резистора.
В устройстве применим малогабаритный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 5...8
В. Выпрямительный блок КЦ405Е можно заменить любым другим или собрать из отдельных диодов с допустимым
прямым током не менее необходимого тока базы регулирующего транзистора. Эти же требования относятся и
к диоду VD6. Конденсатор С1 - оксидный, например, К50-6, К50-16 и т. д., на номинальное напряжение не
менее 15 В. Переменный резистор R1 - любой с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт. При монтаже и налаживании
устройства следует соблюдать меры предосторожности: элементы регулятора находятся под напряжением сети.
Примечание: Для уменьшения искажения синусоидальной формы выходного напряжения попробуйте исключить конденсатор
С1. А. Чекаров
Регулятор напряжения на MOSFET - транзисторах (IRF540, IRF840)
Олег Белоусов, Электрик, 201 2 , № 12 , с. 64 - 66
Так как физический принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором отличается от работы тиристора и симмистора, то его в течение периода сетевого напряжения можно многократно включать и выключать. Частота коммутации мощных транзисторов в данной схеме выбрана 1 к Гц. Достоинством этой схемы является простота и возможность изменять скважность импульсов, мало изменяя при этом частоту повторения импульсов.
В авторской конструкции получены следующие
длительности импульсов: 0,08 мс, при периоде следования
1 мс и 0,8 мс при периоде следования 0,9 мс, в зависимости
от положения движка резистора R2.
Отключить напряжение на нагрузке можно, замкнув выключатель S 1, при этом на затворах MOSFET - транзисторов
устанавливается напряжение, близкое к напряжению на 7 выводе
микросхем ы. При разомкнутом тумблере напряжение на нагрузке
в авторском экземпляре устройства можно было изменять рези
стором R 2 в пределах 18...214 В (измерено прибором типа
TES 2712).
Принципиальная схема подобного регулятора
показан на рисунке ниже. В регуляторе использется отечественная
микросхема К561ЛН2 на двух элементах которой собран генератор
с регулируемой суважностью, а четыре эелемента используюся
как усилители тока.
Для исключения помех по сети 220 послеловательно нагрузке рекомендуется подключить дроссель намотанный на ферритовом кольце диаметром 20...30 мм до заполнения проводом 1 мм.
Генератор тока нагрузки на биполярных транзисторах (КТ817 , 2SC3987)
Бутов А. Л. , Радиоконструктор, 201 2 , № 7 , с. 11 - 12
Для проверки работоспособности и настройки
источников питания удобно использовать имитатор нагрузки в
виде регулируемого генератора тока. С помощью такого устройства
можно не только быстро настроить блок питания, стабилизатор
напряжения, но и, например, использовать его как генератор
стабильного тока для зарядки, разрядки аккумуля торных батарей, устройств электролиза, для электрохимического травления
печатных плат, как стабилизатор тока питания электроламп, для «мягкого» пуска коллекторных электродвигателей.
Устройство является двухполюсником,
не требует дополнитель ного источника питания и может включаться
в разрыв цепи питания различных устройств и исполнительных
механизмов.
Диапазон регулировки тока от 0...0 ,
16 до 3 А, максимальная потребляемая (рассеиваемая) мощность
40 Вт, диапазон питающих напряжений 3...30 В постоянного
тока. Ток потребления регулируется переменным резистором
R 6. Чем левее по схеме движок резистора R6, тем больший ток
потребляет устрой ство. При разомкнутых контактах переключателя
SA 1 резистором R6 можно установить ток потребления от 0,16
до 0,8 А. При замкнутых контактах этого переключателя ток
регулируется в интервале 0,7... 3 А.
Чертеж печатной платы генератора тока
Имитатор автомобильного аккумулятора (КТ827)
В. МЕЛЬНИЧУК, Радиомир, 201 2 , № 1 2 , с. 7 - 8
При переделке компьютерных импульсных
блоков питания (ИБП) подзарядные устройства (ЗУ) для автомобильных
аккумуляторов готовые изделия в процессе наладки необходимо
чем - то нагружать. Поэтому я решил изготовить аналог мощного
стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации, схем
а которого показана на рис. 1 . Резистором R 6 можно регулировать
напряжение стабилизации от 6 до 16 В. Всего было сделано
два таких устройства. В первом варианте в качестве транзис
торов VT 1 и VT 2 применены КТ 803.
Внутреннее сопротивление такого стабилитрона
оказалось слишком велико. Так, при токе 2 А напряжение стабилизации
составило 12 В, а при 8 А - 16 В. Во втором варианте использованы
составные транзисторы КТ827. Здесь при токе 2 А напряжение
стабилизации составило 12 В, а при 10 А - 12,4 В.
Однако при регулировке более мощных потребителей, например электрокотлов симисторные регуляторы мощности становятся не пригодными - уж слишком большую помеху по сети они будут создавать. Для решения этой проблемы лучше использовать регуляторы с бОльшим периодом режимов ВКЛ-ВЫКЛ, что однозначно исключает возникновение помех. Один из вариантов схемы приведен .
На сегодняшний день существует достаточно много простых и не очень схем регуляторов мощности. Каждая приципиальная схема имеет свои преимущества и недостатки. Рассматриваемая сегодня выбрана мной не случайно. Итак, попал ко мне советский электрокамин (обогреватель) Мрия . Состояние его можно оценить по фото.
Рисунок 1 – общий первоначальный вид
Справа на верхней пластмассовой крышке имелось отверстие под ручку встроенного регулятора мощности, которого там не оказалось. По счастливой случайности мне через некоторое время попался рабочий экземпляр такого же камина. В качестве регулятора там оказалась на первый взгляд довольно сложная схема на двух тиристорах и множеством очень мощных резисторов. Её повторение не имело смысла, хотя у меня и есть доступ к практически любым советским радиодеталям, так как это обошлось бы в разы дороже, чем тот вариант, который изготовлен сейчас.
Для начала камин был подключён к сети напрямую, ток потребления оказался 5,6 А, что соответствует паспортной мощности камина 1,25 кВт. Но зачем тратить столько энергии, тем более что она не дешёвая, и не всегда нужно включать обогреватель на полную мощность. Поэтому было принято решение приступить к поискам мощного регулятора мощности. У себя в загашниках нашёл уже готовую схему от китайского пылесоса, на симисторе ВТА12-600
. Симистор, с его номинальным током 12 А, отлично мне подходил. Этот регулятор являлся фазовым, т.е. такой тип регуляторов пропускает не всю полуволну сетевого синусоидального напряжения, а только её часть, тем самым ограничивая мощность, подводимую к нагрузке. Регулировка осуществляется открытием симистора при нужном фазовом угле?
Рисунок 2 – а) обычная форма сетевого напряжения; б) напряжение, поданное через регулятор
Преимущества фазового регулятора
:
- простота изготовления
- дешевизна
- лёгкая управляемость
Недостатки
:
При простой схеме нормальная работа наблюдается только с нагрузками типа ламп накаливания
- при мощной активной нагрузке появляется неприятный гул (дребезг), который может возникать как в самом симисторе, так и на нагрузке (нагревательная спираль)
- создаёт множество радиопомех
- загрязняет электросеть
В итоге, протестировав схему регулятора из пылесоса, выявлено дребезжание спирали электрокамина.
Рисунок 3 – Вид внутри камина
Спираль имеет вид намотанной проволоки (материал определить не могу) на двух планках, залитой для фиксации на ребрах планок каким-то термостойким затвердителем. Возможно, дребезг мог вызвать его разрушение. Были предприняты попытки включить дроссель последовательно с нагрузкой, зашунтировать симистор RC-цепочкой (что является частичным спасением от помех). Но ни одна их этих мер не дала полного избавления от шума.
Было принято решение использовать другой тип регулятора – дискретный. Такие регуляторы открывают симистор на период целой полуволны напряжения, но количество пропущенных полуволн ограничивается. Например, на рисунке 3 сплошная часть графика – прошедшие сквозь симистор полуволны, пунктиром – не прошедшие, то есть в это время симистор был закрыт.
Рисунок 4 – Принцип дискретного регулирования
Преимущества дискретных регуляторов
:
- меньший нагрев симистора
- отсутствие звуковых эффектов даже при достаточно мощной нагрузке
- отсутствие радиопомех
- отсутствие загрязнения электросети
Недостатки
:
Возможны скачки напряжения (при 220В на 4-6 В при нагрузке 1.25 кВт), что может быть заметно на лампах накаливания. На остальной домашней технике этот эффект не заметен.
Выявленный недостаток проявляется тем заметнее, чем на меньший предел регулировки установлен регулятор. На максимуме нагрузки скачков совершенно нету. Как возможное решение данной проблемы возможно использование стабилизатора напряжения для ламп накаливания. На просторах интернета была найдена следующая схема, которая привлекала своей простотой и удобством управления.
Рисунок 5 – Принципиальная схема дискретного регулятора
Описание управления
При первом включении на индикаторе светится 0. Включение и отключение происходит одновременным нажатием и удержанием двух кнопок. Регулировка больше/меньше – каждой кнопкой по отдельности. Если не нажимать ни одну из кнопок, то после последнего нажатия через 2 часа регулятор отключится сам, индикатор будет моргать на ступени последнего рабочего уровня нагрузки. При отключении от сети запоминается последний уровень, который будет установлен при следующем включении. Регулировка происходит от 0 до 9 и далее от А до F. То есть всего 16 ступеней регулировки.
При изготовлении платы первый раз применил ЛУТ
, и не правильно отзеркалил при распечатке, поэтому контроллер перевёрнут вверх-ногами Индикатор тоже не совпал, поэтому припаял его проводками. Когда рисовал плату, по ошибке разместил стабилитрон после диода, пришлось его впаять на другой стороне платы.
Полупроводниковый прибор, имеющий 5 p-n переходов и способный пропускать ток в прямом и обратном направлениях, называется симистором. Из-за неспособности работы на высоких частотах переменного тока, высокой чувствительности к электромагнитным помехам и значительного тепловыделения при коммутации больших нагрузок, в настоящее время широкого применения в мощных промышленных установках они не имеют.
Там их с успехом заменяют схемы на тиристорах и IGBT-транзисторах. Но компактные размеры прибора и его долговечность в сочетании с невысокой стоимостью и простотой схемы управления позволили найти им применение в сферах, где указанные выше недостатки не имеют существенного значения.
Сегодня схемы на симисторах можно найти во многих бытовых приборах от фена до пылесоса, ручном электроинструменте и электронагревательных устройствах – там, где требуется плавная регулировка мощности.
Принцип работы
Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.
Делаем своими руками
На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.
Схема прибора
Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный.
Основные компоненты:
- симистор VD4, 10 А, 400 В;
- динистор VD3, порог открывания 32 В;
- потенциометр R2.
Ток, протекающий через потенциометр R2 и сопротивление R3, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.
Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2.
Дополнительная цепь из диодов VD1 и VD2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.
Отличительной особенностью схемы является то, что динистор открывается на одинаковый угол в каждой полуволне сетевого напряжения. Вследствие этого не происходит выпрямление тока, и становится возможным подключение индуктивной нагрузки, например, трансформатора.
Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт.
Используемые элементы:
- Динистор DB3;
- Симистор ТС106-10-4, ВТ136-600 или другие, требуемого номинала по току 4-12А.
- Диоды VD1, VD2 типа 1N4007;
- Сопротивления R1100 кОм, R3 1 кОм, R4 270 Ом, R5 1,6 кОм, потенциометр R2 100 кОм;
- С1 0,47 мкФ (рабочее напряжение от 250 В).
Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору.
Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.
Схема симисторного регулятора мощности
Сборка
Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:
- Определить параметры прибора, на который будет работать разрабатываемое устройство. К параметрам относятся: количество фаз (1 или 3), необходимость точной регулировки выходной мощности, входное напряжение в вольтах и номинальный ток в амперах.
- Выбрать тип устройства (аналоговый или цифровой), произвести подбор элементов по мощности нагрузки. Можно проверить своё решение в одной из программ для моделирования электрических цепей – Electronics Workbench, CircuitMaker или их онлайн аналогах EasyEDA, CircuitSims или любой другой на ваш выбор.
- Рассчитать тепловыделение по следующей формуле: падение напряжения на симисторе (около 2 В) умножить на номинальный ток в амперах. Точные значения падения напряжения в открытом состоянии и номинальный пропускаемый ток указаны в характеристиках симистора. Получаем рассеиваемую мощность в ваттах. Подобрать по рассчитанной мощности радиатор.
- Закупить необходимые электронные компоненты , радиатор и печатную плату.
- Произвести разводку контактных дорожек на плате и подготовить площадки для установки элементов. Предусмотреть крепление на плате для симистора и радиатора.
- Установить элементы на плату при помощи пайки. Если нет возможности подготовить печатную плату, то можно использовать для соединения компонентов навесной монтаж, используя короткие провода. При сборке особое внимание уделить полярности подключения диодов и симистора. Если на них нет маркировки выводов, то или «аркашки».
- Проверить собранную схему мультиметром в режиме сопротивления. Полученное изделие должно соответствовать изначальному проекту.
- Надёжно закрепить симистор на радиатор. Между симистором и радиатором не забыть проложить изолирующую теплопередающую прокладку. Скрепляющий винт надёжно заизолировать.
- Поместить собранную схему в пластиковый корпус.
- Вспомнить о том, что на выводах элементов присутствует опасное напряжение.
- Выкрутить потенциометр на минимум и произвести пробное включение. Измерить напряжение мультиметром на выходе регулятора. Плавно поворачивая ручку потенциометра следить за изменением напряжения на выходе.
- Если результат устраивает, то можно подключать нагрузку к выходу регулятора. В противном случае необходимо произвести регулировки мощности.
Симисторный радиатор мощности
Регулировка мощности
За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.
- продлить срок службы лампы, регулировать освещение или температуру паяльника поможет простой и недорогой регулятор на симисторах.
- выбирайте тип схемы и параметры компонентов по планируемой нагрузке.
- тщательно проработайте схемные решения.
- будьте внимательны при сборке схемы , соблюдайте полярность полупроводниковых компонентов.
- не забывайте, что электрический ток есть во всех элементах схемы и он смертельно опасен для человека.
Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.
Принцип работы регулятора на симисторе
Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.
Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.
Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.
Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.
При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.
Варианты схем регулятора
Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.
Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В
Обозначения:
- Резисторы: R1- 470 кОм, R2 – 10 кОм,
- Конденсатор С1 – 0,1 мкФ х 400 В.
- Диоды: D1 – 1N4007, D2 – любой индикаторный светодиод 2,10-2,40 V 20 мА.
- Динистор DN1 – DB3.
- Симистор DN2 – КУ208Г, можно установить более мощный аналог BTA16 600.
При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.
Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.
К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.
Схема регулятора с обратной связью
Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:
- Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
- Отслеживать изменения напряжения на электромоторе и, в зависимости от этого, увеличивать или уменьшать «открытый» режим полупроводникового ключа.
Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.
Обозначения:
- Резисторы: R1 – 18 кОм (2 Вт); R2 – 330 кОм; R3 – 180 Ом; R4 и R5– 3,3 кОм; R6 – необходимо подбирать, как это делается будет описано ниже; R7 – 7,5 кОм; R8 – 220 кОм; R9 – 47 кОм; R10 – 100 кОм; R11 – 180 кОм; R12 – 100 кОм; R13 – 22 кОм.
- Конденсаторы: С1 – 22 мкФ х 50 В; С2 – 15 нФ; С3 – 4,7 мкФ х 50 В; С4 – 150 нФ; С5 – 100 нФ; С6 – 1 мкФ х 50 В..
- Диоды D1 – 1N4007; D2 – любой индикаторный светодиод на 20 мА.
- Симистор Т1 – BTA24-800.
- Микросхема – U2010B.
Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):
- А – При перегрузке включается светодиод D2, сигнализирующий о перегрузке, после чего двигатель снижает обороты до минимальных. Для выхода из режима необходимо отключить и включить прибор.
- В – При перегрузке включается светодиод D2, мотор переводится на работу с минимальными оборотами. Для выхода из режима необходимо снять нагрузку с электродвигателя.
- С – Режим индикации перегрузки.
Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R6, оно вычисляется, в зависимости от мощности, электромотора по следующей формуле: . Например, если нам необходимо управлять двигателем мощностью 1500 Вт, то расчет будет следующим: 0,25/ (1500 / 240) = 0,04 Ом.
Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.
Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.
Регулятор для индуктивной нагрузки
Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.
Существует два варианта решения проблемы:
- Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
- Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.
Простой регулятор мощности на симисторе своими руками
В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.
Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.
