Фазоимпульсными регуляторами (ФИР) называются устройства, позволяющие регулировать яркость ламп (диммеры), мощность электрических нагревателей, скорость вращения электроинструмента и т.п. ФИР содержит в своём составе электронный ключ, который включен между питающей сетью и нагрузкой. В течении некоторой части периода сетевого напряжения этот ключ замкнут, а затем он размыкается. Увеличивая или уменьшая время, в течении которого ключ находится в замкнутом состоянии, можно увеличивать или уменьшать мощность, выделяющуюся в нагрузке. Обычно в качестве ключа используется тиристор. Рассмотрим структурную схему тиристорного ФИР, представленную на рис. 1. Соответствующие временные диаграммы представлены на рис. 2.
Селектор нуля срабатывает, когда сетевое напряжение проходит через ноль. Цепь задержки через интервал времени Тз, регулируемый в пределах от нуля до 10 мс, запускает формирователь импульсов, открывающих тиристор. Далее тиристор остаётся открытым до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока удержания, т.е. почти до конца полупериода.
На временной диаграмме Uc - выпрямленное сетевое напряжение. Uн - напряжение на нагрузке. Зелёным цветом выделены моменты времени, когда тиристорный ключ замкнут.
При малых и средних Тз тиристорный ФИР работает вполне удовлетворительно, но при больших Тз, близких к длительности полупериода сетевого напряжения, что соответствует питанию нагрузки короткими импульсами малой амплитуды, возникают проблемы, связанные с тем, что не все виды нагрузки могут нормально работать при таком питании. Например лампы накаливания начинают заметно мерцать. Кроме того при больших Тз нестабильность работы цепи регулируемой задержки вызывает существенные изменения длительности выходных импульсов. В самом деле - если Тз, например в результате нагрева элементов схемы, возрастёт с 9 до 9.5 мс, т.е. примерно на 5%, то длительность импульсов на нагрузке сократится от 1 мс до 0.5 мс, т.е. вдвое. Если Тз превысит 10 мс, то тиристор будет открываться в самом начале полупериода, что соответствует максимальной мощности. Это может привести к повреждению нагрузки, если она не рассчитана на полное сетевое напряжение.
Ещё одним недостатком тиристорных ФИР являются помехи, которые возникают при замыкании ключа и, в меньшей степени, при размыкании (имеется в виду работа ФИР на активную нагрузку).
Реальные тиристорные ФИР обычно делаются на симметричном тиристоре (симисторе), по этому выпрямитель не требуется, но рассмотренные недостатки им также присущи.
Если в качестве ключа использовать не тиристор, а мощный высоковольтный MOSFET транзистор, то можно существенно уменьшить проблемы, возникающие при необходимости питать нагрузку низким напряжением.
Структурная схема ФИР с ключом на полевом транзисторе представлена на рис. 3. Временные диаграммы представлены на рис. 4.
Компаратор сравнивает регулируемое напряжение Uоп, формируемое источником опорного напряжения, с выпрямленным сетевым напряжением. Если сетевое напряжение меньше опорного, то полевой транзистор открыт, нагрузка подключена к сети. В противном случае компаратор размыкает ключ - ток через нагрузку отсутствует. Очевидно, что как на восходящей так и на нисходящей ветвях синусоиды будут участки, когда транзисторный ключ замкнут, что и отражено на временной диаграмме. Это позволяет передать в нагрузку требуемую мощность за большее время, чем в случае тиристорного ФИР, и, соответственно, уменьшить пиковые напряжения и токи нагрузки.
Схема электрическая принципиальная транзисторного ФИР представлена на рис. 5.
Источник регулируемого опорного напряжения собран на элементах R1, C1, VD2 и R4. Напряжение +12В со стабилитрона VD2 также используется для питания микросхемы DA1.1. Конденсатор С2 уменьшает шумы, возникающие при вращении оси переменного резистора R4. Операционный усилитель DA1.1, используемый в качестве компаратора, сравнивает опорное напряжение с сетевым, поступающим на инверсный вход с делителя на резисторах R2, R3. Полевой транзистор VT1 представляет собой силовой ключ, управляемый сигналом с выхода компаратора. Резистор R8 разгружает выход усилителя DA1.1 от ёмкости затвор-исток полевого транзистора, кроме того благодаря этому резистору переключение VT1 несколько замедляется, что способствует снижению помех.
Первый вариант транзисторного ФИР содержал только эти элементы. Он был собран на макетной плате и оказался вполне работоспособен, но форма напряжения на нагрузке существенно отличалась от желаемой. Соответствующая осциллограмма приведена на рис. 6.
Левый пик на осциллограмме, соответствующий нисходящей ветви синусоиды, существенно ниже правого пика, соответствующего восходящей ветви. Так получается из-за задержки, вносимой компаратором и ключом. Применение более быстрого операционного усилителя и уменьшение резистора R8 позволяет улучшить ситуацию, но до конца проблему не устраняет, кроме того автору очень хотелось остаться в рамках недорогих и доступных комплектующих.
Устранить указанный недостаток позволяет введение в схему второго компаратора DA1.2. Благодаря цепи задержки на элементах VD3, R9, R10 и С3 DA1.2 срабатывает вслед за DA1.1 с задержкой около 100 микросекунд. Этой задержки вполне достаточно, чтобы к моменту срабатывания DA1.2 переходные процессы, связанные с переключением DA1.1 успевали закончиться. Напряжение с выхода DA1.2 через резистор R7 суммируется с сигналом, снимаемым с делителя R2,R3. Благодаря этому как на нисходящей, так и на восходящей ветвях синусоиды компаратор DA1.1 срабатывает чуть раньше - задержка компенсируется, длительности и амплитуды обеих пиков выравниваются. Осциллограмма для этого случая представлена на рис. 7.
Если ФИР настроен так, что срабатывание DA1.1 происходит вблизи вершины синусоиды (большая мощность на нагрузке), то вышеописанная задержка не сказывается на работе устройства. Это связано с тем, что вблизи вершины синусоиды скорость изменения сетевого напряжения замедляется и за время задержки значимого изменения напряжения не происходит. С другой стороны выяснилось, что эта же причина - медленное изменение сетевого напряжения вблизи вершины синусоиды - приводит к возникновению автоколебаний в цепочке из двух компараторов DA1.1 и DA1.2, охваченных обратной связью. Устранить автоколебания позволяет цепочка VD3, R9. Благодаря ей конденсатор С3 заряжается существенно быстрее, чем разряжается. Если импульсы на выходе DA1.1 достаточно широкие, что соответствует большой амплитуде импульсов на нагрузке ФИР, то C3 не успевает разряжаться - на нём появляется постоянное напряжение, превышающее напряжение на инверсном входе DA1.2. Компаратор DA1.2 перестаёт переключаться и автоколебания не возникают. Номиналы резисторов R5, R6, R9 и R10 подобраны так, что блокировка DA1.2 наступает при амплитуде импульсов на нагрузке ФИР около 150 В.
Монтаж устройства был выполнен на макетной плате, фотография которой не приводится, т.к. кроме описанного ФИР на ней было собрано ещё одно устройство, не имеющее отношения к данной разработке. Нагрузкой ФИР служит нагреватель мощностью около 100 ВА с рабочим напряжением 70В. Полевой транзистор размещён на радиаторе в виде пластины площадью 10 квадратных сантиметров. В процессе работы он почти не нагревается - видимо радиатор можно уменьшить или вовсе отказаться от него.
При отладке и последующей эксплуатации устройства следует соблюдать осторожность т.к. его элементы имеют контакт с электрической сетью.
Наладка устройства сводится к подбору резистора R7. ФИР следует подключить к сети 220В (через разделительный трансформатор!). В качестве нагрузки можно использовать лампу накаливания на 220В мощностью около 100 ВА, паяльник и т.п. Параллельно нагрузке следует включить вход осциллографа. С помощью резистора R4 нужно выставить амплитуду импульсов на нагрузке около 50 В. Резистор R7 следует подобрать таким образом, чтобы амплитуда импульсов на восходящей и нисходящей ветвях синусоиды были равны. При отклонении выходного напряжения от 50В равенство амплитуд импульсов не должно существенно нарушаться. У автора при выходном напряжении 20В амплитуды импульсов отличались на 2В, при 30В - на 1В, при 100В - на 1В.
В заключении укажем на особенности данного ФИР, определяющие возможную область применения. Его рекомендуется использовать для питания низковольтных устройств, которые по той или иной причине необходимо запитать от сети 220В. Стабилизация амплитуды импульсов на выходе транзисторного ФИР очень этому способствует.
Автор успешно использовал в качестве нагрузки паяльник мощностью 30ВА, рассчитанный на напряжение 27В, а также лампочку 6В 0.6ВА. Лампочка горела без мерцания, её яркость плавно регулировалась от нуля до видимого перекала. Средневолновый радиоприёмник, находящийся рядом с данным устройством, не реагировал на его включение. Из этого можно сделать вывод о небольшом уровне высокочастотных помех.
При питании от ФИР лампы накаливания на напряжение 220В выяснилось, что при небольших уровнях диммирования (почти максимальная яркость) имеют место самопроизвольные и весьма заметные изменения яркости. Анализ этого явления показал, что причиной является существенное отличие формы сетевого напряжения от синусоиды. Если порог срабатывания компаратора попадает на достаточно протяжённую плоскую вершину, которая имеется у реального сетевого напряжения, то даже небольшие изменения величины напряжения в сети будут вызывать значительные колебания длительности импульсов, вырабатываемых компаратором. Это и вызывает изменение яркости лампы.
При разработке и испытаниях данного устройства предполагалось, что нагрузка может быть только активной (резистор, нагреватель, лампа накаливания). Возможность использования транзисторного ФИР с реактивной нагрузкой, а также для зарядки каких-либо аккумуляторов, регулирования оборотов электродвигателей и т.п. не рассматривалась и не проверялась.
Каждая имеет свои преимущества и недостатки. Рассматриваемая сегодня выбрана мной не случайно. Итак, попал ко мне советский электрокамин. На верхней 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 закромах нашёл уже готовую схему от китайского пылесоса, на симисторе ВТА. 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.
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
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 сплошная часть графика - прошедшие сквозь симистор полуволны, пунктиром - не прошедшие, то есть в это время симистор был закрыт.
Преимущества дискретных регуляторов:
- меньший нагрев симистора
- отсутствие звуковых эффектов даже при достаточно мощной нагрузке
- отсутствие радиопомех
- отсутствие загрязнения электросети
Принципиальная схема ступенчатого регулятора мощности
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.
На рисунке указан симистор ВТ136, но и ВТА12 прекрасно работает с указанными номиналами деталей. Радиатор возможно великоват, можно было поставить и по меньше, но другого у меня не оказалось.
При первом включении у меня на индикаторе моргал 0, на нажатие кнопок не было реакции. Проблема решилась установкой конденсатора по питанию на 1000 мкФ, вместо 220. В течении месяца использования никаких проблем в работе не выявлено. Схема, прошивка, печатная плата в архиве .
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.