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 .
Схема регулятора предназначена для плавного управления мощности активной нагрузки , питающейся от сети переменного тока 220 вольт частотой 50 Гц. Мощность нагрузки зависит от типа применяемого симистора. В основу метода управления положен принцип фазового регулирования момента включения симистора, включенного последовательно с нагрузкой.
Фото его смотрите на рисунках:
В момент включения мощность на нагрузке нарастает плавно, что есть хорошо, если регулятор используется для регулирования яркости лампы освещения. Также схему регулятора можно применить еще к множеству приборов работающих от сети 220в.
Основным элементом регулятора является микроконтроллер PIC16F84A . По входу RB0 микроконтроллера организовано прерывание в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Перепад на этом выводе формирует узел на оптопаре U1 (АОУ110Б). От момента прерывания программно организована задержка включения симистора, которая меняется в определённых пределах. На светодиодном индикаторе это выглядит как регулирование мощности от 0 до 99%.
Схема регулятора мощности представлена на рисунке:
Погрешность соответствия показаний индикатора и действительной мощности подводимой к нагрузке вполне достаточная для применения регулятора для бытовых целей. Кнопки S1 и S2 служат для увеличения и уменьшения мощности соответственно. В подпрограмме опроса кнопок организовано несколько режимов, удобных в пользовании, при однократном нажатии изменение на единицу значения, при долгом нажатии быстрое изменение и очень быстрое.
Узел управления симистором состоит из элементов U2, VD3, R5, стандартное схемное решение, оптотиристор U2 (АОУ103В) обеспечивает гальваническую развязку и с помощью диодного моста VD3 (W08) управление симистором VS1.
Схема питается от сети через трансформатор T1. Далее напряжение выпрямляется диодным мостом VD2, часть напряжения поступает на оптопару U1, для формирования перепада перехода сетевого напряжения через ноль, остальная часть через диод VD1 на микросхему стабилизатора IC1, которая стабилизирует напряжение до 5 вольт. Элементы С1, С2, С7 служат для сглаживания пульсаций сетевого напряжения.
Подборка схем и описание работы регулятора мощности на симисторах и не только. Схемы симисторных регуляторов мощности хорошо подходят для продление срока эксплуатации ламп накаливания и для регулировки их яркости свечения. Или для запитки нестандартной аппаратуры например на 110 вольт.
На рисунке представлена схема симисторного регулятора мощности, которую можно менять за счет изменения общего количества сетевых полупериодов, пропускаемых симистором за определенный интервал времени. На элементах микросхемы DD1.1.DD1.3 сделан , период колебания которого около 15-25 сетевых полупериодов.
Скважность импульсов регулируется резистором R3. Транзистор VT1 совместно с диодами VD5-VD8 предназначен для привязки момента включения симистора во время перехода сетевого напряжения через нуль. В основном этот транзистор открыт, соответственно, на вход DD1.4 поступает "1" и транзистор VT2 с симистором VS1 закрыты. В момент перехода через нуль транзистор VT1 закрывается и почти сразу открывается. При этом, если на выходе DD1.3 была 1, то состояние элементов DD1.1.DD1.6 не изменится, а если на выходе DD1.3 был "ноль", то элементы DD1.4.DD1.6 сгенерируют короткий импульс, который усилится транзистором VT2 и откроет симистор.
До тех пор пока на выходе генератора будет логический ноль, процесс будет идти цикличиски после каждого перехода сетевого напряжения через точку нуля.
Основа схемы зарубежный симистор mac97a8, который позваляет коммутировать большие мощности подключенные нагрузки, а для ее регулировки использовал старый советский переменный резистор, а в качестве индикации использовал обычный светодиод.
В симисторном регуляторе мощности применен принцип фазового управления. Работа схемы регулятора мощности основана на изменении момента включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль. В первоначальный момент положительного полупериода симистор находится в закрытом состояние. С возрастанием сетевого напряжения, конденсатор С1 заряжается через делитель.
Возрастающее напряжения на конденсаторе сдвигается по фазе от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления обоих резисторов и емкости конденсатора. Заряд конденсатора происходит до тех пор, пока напряжение на нем не дойдет до уровня «пробоя» динистора, приблизительно 32 В.
В момент открытия динистора, откроется и симистор, через подключенную к выходу нагрузку потечет ток, зависящий от суммарного сопротивлением открытого симистора и нагрузки. Симистор будет открыт до конца полупериода. Резистором VR1 задаем напряжение открывания динистора и симистора, тем самым регулируя мощность. В момент действия отрицательного полупериода алгоритм работы схемы аналогичен.
Вариант схемы с небольшими доработками на 3,5 кВт
Схема регулятора несложная, мощность нагрузки на выходе устройства составляет 3,5 кВт. С помощью этой радиолюбительской самоделки вы можите регулировать освещение, нагревательные тэны и многое другое. Единственный существенный недостаток данной схемы, это то что подсоединить к ней индукционную нагрузку нельзя ни в коем случае, т.к симистор сгорит!
Используемые в конструкции радиокомпоненты: Симистор Т1 - BTB16-600BW или аналогичный (КУ 208 ил ВТА, ВТ). Динистор Т - типа DB3 или DB4. Конденсатор 0,1мкФ керамический.
Сопротивление R2 510Ом ограничивает максимальные вольты на конденсаторе 0,1 мкФ, если поставить движок регулятора в положение 0 Ом, то сопротивление цепи составит порядка 510 Ом. Заряжается емкость, через резисторы R2 510Ом и переменное сопротивление R1 420кОм, после того, как U на конденсаторе достигнет уровня открывания динистора DB3, последний сформирует импульс, отпирающий симистор, после чего, при дальнейшем проходе синусоиды, симистор запирается. Частота открывания-закрывания Т1 зависит от уровня U на конденсаторе 0.1мкФ, которое,зависит от сопротивления переменного резистора. Т.е, прерывая ток (с большой частотой) схема, тем самым регулирует мощность на выходе.
При каждой положительной полуволне входного переменного напряжения емкость С1 заряжается через цепочку резисторов R3, R4, когда напряжение на конденсаторе С1 станет равным напряжению открытия динистора VD7 произойдет его пробой и разрядка емкости через диодный мост VD1-VD4 , а также сопротивление R1 и управляющий электрод VS1 . Для открытия симистора используется электрическая цепочка из диодов VD5, VD6 конденсатора С2 и сопротивления R5.
Требуется подобрать номинал резистора R2 так, чтобы при обоих полуволнах сетевого напряжения, симистор регулятора надежно срабатывал, а также требуется подобрать номиналы сопротивлений R3 и R4 так, чтобы при вращении ручки переменного сопротивления R4 напряжение на нагрузке плавно изменялось от минимальных до максимальных значений. Вместо симистора ТС 2-80 можно использовать ТС2-50 или ТС2-25, хотя будет небольшой проигрыш по допустимой мощности в нагрузке.
В качестве симистора был использован КУ208Г, ТС106-10-4, ТС 112-10-4 и их аналоги. В тот момент времени когда симистор закрыт, осуществляется заряд конденсатора С1 через подключенную нагрузку и резисторы R1 и R2. Скорость заряда изменяется резистором R2, резистор R1 предназначен для ограничения максимальной величины тока заряда
При достижении на обкладках конденсатора порогового значения напряжения происходит открытие ключа, конденсатор С1 быстро разряжается на управляющий электрод и перключает симистор из закрытого состояния в открытое, в открытом состоянии симистор шунтирует цепь R1, R2, С1. В момент перехода сетевого напряжения через ноль происходит закрытие симистора, затем снова заряд конденсатора C1, но уже отрицательным напряжением.
Конденсатор С1 от 0,1...1,0 мкФ. Резистор R2 1,0...0,1 МОм. Симистор включается положительным импульсом тока на управляющий электрод при положительном напряжении на выводе условном аноде и отрицательным импульсом тока на управляющий электрод при отрицательном напряжении условного катода. Таким образом, ключевой элемент для регулятоpa должен быть двунаправленным. Можно в качестве ключа использовать двунаправленный динистор.
Диоды Д5-Д6 используются для защиты тиристора от возможного пробоя обратным напряжением. Транзистор работает в режиме лавинного пробоя. Его напряжение пробоя около 18-25 вольт. Если вы не найдете П416Б, то можно попытаться найти ему замену .
Импульсный трансформатор наматывается на ферритовом кольце диаметром 15 мм, марки Н2000.Тиристор можно заменить на КУ201
Схема этого регулятора мощности похожа на вышеописанные схемы, только введена помехоподавляющая цепь С2, R3, а ыыключатель SW дает возможность разрывать цепь зарядки управляющего конденсатора, что приводит к моментальному запиранию симистора и отключению нагрузки.
С1, С2 - 0,1 МКФ, R1-4k7, R2-2 мОм, R3-220 Ом, VR1-500 кОм, DB3 - динистор, BTA26-600B - симистор, 1N4148/16 В - диод, светодиод любой.
Регулятор используется для регулировки мощности нагрузки в цепях до 2000 Вт, ламп накаливания, нагревательных приборов, паяльника, асинхронных двигателей, зарядного устройство для авто, и если заменить симистор на более мощный можно применить в цепи регупировки тока в сварочных трансформаторах.
Принцип работы этой схемы регулятора мощности заключается в том, что на нагрузку поступает полупериод сетевого напряжения через выбранное число пропущенных полупериодов.
Диодный мост выпрямляет переменное напряжение. Резистор R1 и стабилитрон VD2, вместе с конденсатором фильтра образуют источник питания 10 В для питания микросхемы К561ИЕ8 и транзистора КТ315. Выпрямленные положительные полупериоды напряжения проходя через конденсатор С1 стабилизируются стабилитроном VD3 на уровне 10 В. Таким образом, на счетный вход С счетчика К561ИЕ8 следуют импульсы с частотой 100 Гц. Если переключатель SA1 подсоединен к выходу 2, то на базе транзистора будет постоянно присутствовать уровень логической единицы. Т.к импульс обнуления микросхемы очень короткий и счетчик успевает перезапуститься от того же импульса.
На выводе 3 установится уровень логической единицы. Тиристор будет открыт. На нагрузке будет выделяться вся мощность. Во всех последующих положениях SA1 на выводе 3 счетчика будет проходить один импульс через 2-9 импульсов.
Микросхема К561ИЕ8 это десятичный счетчик с позиционным дешифратором на выходе, поэтому уровень логической единицы будет периодически на всех выходах. Однако, если переключатель установлен на 5 выходе (выв.1), то счет будет происходить только до 5. При прохождении импульсом выхода 5 микросхема обнулится. Начнется счет с ноля, а на выводе 3 появится уровень логической единицы на время одного полупериода. На это время открывается транзистор и тиристор, один полупериод проходит в нагрузку. Для того чтобы было понятней привожу векторные диаграммы работы схемы.
Если требуется уменьшить мощность нагрузки, можно добавить еще одну микросхему счетчика, соединив вывод 12 предыдущей микросхемы с выводом 14 последующей. Установив еще один переключатель, можно будет регулировать мощность до 99 пропущенных импульсов. Т.е. можно получить примерно сотую часть общей мощности.
Микросхема КР1182ПМ1 имеет в своем внутреннем составе два тиристора и узел управления ими. Максимальное входное напряжение микросхемы КР1182ПМ1 около 270 Вольт, а максимум в нагрузке может достигать 150 Ватт без использования внешнего симистора и до 2000 Вт с использованием, а также с учетом того, что симистор будет установлен на радиаторе.
Для снижения уровня внешних помех используется конденсатор С1 и дроссель L1, а емкость С4 требуется для плавного включения нагрузки. Регулировка осуществляется с помощью сопротивления R3.
Подборка довольно простых схем регуляторов для паяльника упростит жизнь радиолюбителю
Комбинированность заключается в совмещении удобства применения цифрового регулятора и гибкости регулировки простого.
Рассмотренная схема регулятора мощности работает по принципу изменения числа периодов входного переменного напряжения, идущих на нагрузку. Это значит, что устройство нельзя использовать для настройки яркости ламп накаливания из-за заметного для глаза мигания. Схема дает возможность регулировать мощность в пределах восьми предустановленных значений.
Существует огромной количество классических тиристорных и симисторных схем регуляторов, но этот регулятор выполнен на современной элементной базе и кроме того являлся фазовым, т.е. пропускает не всю полуволну сетевого напряжения, а только некоторую её часть, тем самым и осуществляется ограничение мощности, т.к открытие симистора происходит только при нужном фазовом угле.
Зачастую востребованной является схема управления мощностью с минимальным интервалом отсутствия подачи напряжения. Примерами таких ситуаций может быть управление группами ламп накаливания, особо чувствительных к колебаниям в сети нагревателей, сварочным оборудованием, электроприводом, мощными электромагнитами с трехфазным питанием. В данном случае, ценой искажения синусоидального напряжения, добиваются минимальных интервалов паузы.
Для примера можно обратиться на , где автор темы применил схему импульсно-фазового управления трехфазным трансформатором для реализации сварочного процесса. Автор этой темы дал ссылку на журнал Радио, где исходная схема была опубликована ещё в далеком 1986 году №8. В настоящей статье делается попытка более простой, на мой взгляд, реализации этого метода импульсно-фазового управления, что, в немалой степени, достигается применением оптосимисторов вместо импульсных трансформаторов при совместном управлении трехфазным напряжением. Эта схема была применена для управления питанием выпрямителя типа ВАКР регулирования тока гальванического процесса. ВАКР представляет собой мощный трехфазный трансформатор, к вторичной обмотке которого (~24В), подключен выпрямитель на ток 1000 и более ампер. Выпрямитель состоял из тиристоров таблеточного типа с возможностью переполюсовки, т.е. смены полярности выпрямляемого напряжения, что необходимо для реализации требуемого гальванического процесса. Регулирование выполнялось по вторичной сети силового трансформатора и, для формирования требуемых сигналов управления силовыми тиристорами, применялись симисторы меньшей, промежуточной мощности (обозначены на схеме как V1, V2 и V3). Способ переполюсовки оставим, как говориться, «за кадром», концентрируя внимание на принципе работы самой схемы импульсно-фазового управления, поскольку, именно эта ее часть является универсальной и применимой в различных областях, выше указанных.
Единое для всех фаз управление задается частотой генератора на DD1.1 , которая находится в пределах 10000 – 2000 Гц. Частота генератора поступает на три счетчика импульсов DD2, DD3, DD4 с коэффициентом пересчета 16 . Поскольку сброс каждого счетчика осуществляется синхроимпульсом «своей» фазы, формируемая счетчиками паузы оказываются синхронизированы с соответствующими переходами фазных напряжений через ноль. При появлении старшего разряда счетчика имеем импульс управления симистором соответствующей фазы, очевидно, длительностью, которая зависит от частоты задающего генератора DD1 . После заполнения всех разрядов происходит переполнение счетчика и процесс циклически повторяется (до прихода «сбросового» импульса синхронизации). Таким образом, каждый счетчик является своеобразным задатчиком паузы от перехода напряжения через ноль до подачи импульса управления. Для формирования импульсов перехода через ноль применены трансформаторы Т1-Т3, на одном из которых формируется напряжение питания схемы. Эти трансформаторы, одним полюсом, естественно, подключаются к первичному напряжению соответствующей фазы и могут быть заменены на общий трансформатор трехфазного исполнения. Если управление предполагается осуществлять силовыми тиристорами (симисторами) по вторичной стороне, то для формирования синхроимпульсов вполне подойдет напряжение силового трансформатора. И, напротив, при управлении на первичных напряжениях можно обойтись и без трансформаторов, реализуя варианты формирования синхроимпульсов описанных в [ 1 ] , с помощью резисторов с стабилитроном и диодами и такая схема формирования синхроимпульсов будет даже предпочтительнее, поскольку получаемые с ее помощью синхроимпульсы будут более четко выраженными и короткими по времени.
Несмотря на тот факт, что схема рис 1 формирует повторяющиеся импульсы управления (при высоких частотах генератора D1) с длительностью, которая увеличивается с уменьшением частоты задающего генератора D1, этих свойств схемы может оказаться недостаточно для управления нагрузкой с значительной индуктивной составляющей (трансформатор, электромагнит, электродвигатель, (гальванический раствор- чисто активная нагрузка)). В этом случае большей универсальностью может обладать схема, представленная на рис 2. Здесь, после прихода первого управляющего импульса со счетчика происходит его фиксация с помощью соответствующего RS триггера до конца текущего полупериода. Сброс триггеров, очевидно, будет происходить по приходу нулевого напряжения соответствующей фазы.
Рис. 2
Рассмотрим, наконец, как с помощью описанного регулятора можно реализовать устройство плавного пуска асинхронного электродвигателя. Устройства плавного пуска УПП являются одними из наиболее востребованных в приводной технике. От них зависит долговечность работы, связанных с электроприводом механических систем. Часто вместо УПП устанавливают частотный привод, что не всегда оказывается экономически оправдано. Чтобы превратить наш регулятор (рис 1) в УПП, следует обратить внимание на генератор DD1.1/ В литературе [ 2] приведены схемы использования полевых транзисторов для регулирования частоты генераторов, выполненных на логических микросхемах. Если следовать данным рекомендациям, то в качестве управляющего сигнала, для частоты УПП можно использовать факт подачи напряжения питания на регулятор и, соответственно, сформировать плавное изменение частоты этого генератора от минимальной частоты до максимальной в течение желаемого промежутка времени.
Рис. 3
На Рис 3 отдельно показан генератор с возможностью плавного увеличения частоты генерации от момента подачи питания. Напряжение на конденсаторе с2 растет по закону экспоненты по времени, которое зависит от параметров резистора R3 и конденсатора С2. После выключения устройства конденсатор С2 быстро разряжается через диод VD, подготавливая схему к повторному включению. При необходимости не экспоненциального, а, к примеру, линейного закона изменения частоты генератора заряд емкости С2 осуществляют через генератор тока. Практически любая желаемая траектория изменения частоты реализуется на базе микроконтроллеров, с формированием аналогового сигнала либо с помощью скоростного ШИМ, либо, - с помощью отдельного интегрального ЦАП.
В заключение отметим несколько «подводных камней» о которых следует не забывать, имея дело с трехфазными регуляторами мощности с импульсно-фазовым управлением.
- Силовые приборы симисторы и тиристоры, применяемые в схемотехнике таких регуляторов работают в более жестких условиях эксплуатации, а следовательно должны выбираться с некоторым запасом относительно максимально допустимых параметров тока и напряжения.
- Трехфазные регуляторы мощности с импульсно-фазовым управлением при работы могут «кошмарить» питающую сеть высокочастотными помехами. Для защиты от таких помех иногда помогают дроссельные реакторы или сетевые фильтры, которые следует устанавливать пофазно до подключения к регулятору.
- Для УПП наиболее хитрые разработчики устанавливают специальные компактные реле, которые включаются после окончания собственно плавного пуска мотора с целью экономии на мощности силовых полупроводниковых приборов, а, следовательно, и величины радиаторов для них. Эти реле своими контактами просто шунтируют эти силовые полупроводниковые приборы. Возможно, что и в процессе выключения УПП, для увеличения долговечности контактов такого реле, силовые симисторы сначала «подхватывают» задачу коммутации и, после размыкания контактов реле, – уже окончательно разрывают силовую цепь.
Литература:
- Шелестов И.П.,Радиолюбителям - полезные схемы - книга 4. . 2001.
Список радиоэлементов
| Обозначение | Тип | Номинал | Количество | Примечание | Магазин | Мой блокнот |
|---|---|---|---|---|---|---|
| DD1.1 | Вентиль | CD4093B | 1 | В блокнот | ||
| DD2-DD4 | КМОП счетчик | К176ИЕ2 | 3 | В блокнот | ||
| D1-D3 | Выпрямительный диод | KBL04 | 3 | Диодный мост | В блокнот | |
| VT1-VT6 | Биполярный транзистор | BC547C | 6 | В блокнот | ||
| VD1-VD3 | Оптопара | MOC3023 | 3 | В блокнот | ||
| VD4 | Стабилитрон | Д814Б | 1 | В блокнот | ||
| VD5 | Выпрямительный диод | 1N4148 | 1 | В блокнот | ||
| V1-V3 | Симистор | BT136-600 | 3 | В блокнот | ||
| LD1-LD3 | Светодиод | АЛС307А | 3 | В блокнот | ||
| С1 | Конденсатор | КМ-10-2.2нФ | 1 | В блокнот | ||
| С2 | Конденсатор | К50-35-22мкФ | 1 | В блокнот | ||
| R1 | Переменный резистор | СПО-200К | 1 | В блокнот | ||
| R2 | Резистор | 27 кОм | 20 | Номиналы см. рис1 | В блокнот | |
| R3, R6, R9 | Резистор |
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.