Однофазный тиристорный регулятор с активной нагрузкой. Регулятор для индуктивной нагрузки

В статье рассказывается о том, как работает тиристорный регулятор мощности, схема которого будет представлена ниже

В повседневной жизни очень часто возникает необходимость регулирования мощности бытовых приборов, например электроплиты, паяльника, кипятильников и ТЭНов, на транспорте - оборотов двигателя и т.д. На помощь приходит простейшая радиолюбительская конструкция - регулятор мощности на тиристоре. Собрать такое устройство не составит труда, оно может стать тем самым первым самодельным прибором, который будет выполнять функцию регулировки температуры жала паяльника начинающего радиолюбителя. Стоит отметить, что готовые паяльные станции с контролем температуры и прочими приятными функциями стоят на порядок дороже простого паяльника. Минимальный набор деталей позволяет собрать простой тиристорный регулятор мощности навесным монтажом.

К сведению, навесной монтаж — это способ сборки радиоэлектронных компонентов без применения печатной платы, а при хорошем навыке он позволяет быстро собрать электронные устройства средней сложности.

Вы также можете заказать тиристорного регулятора, а для тех, кто хочет разобраться во всём самостоятельно, ниже будет представлена схема и объяснён принцип работы.

Между прочим, это однофазный тиристорный регулятор мощности. Такой прибор может быть использован для управления мощностью или количеством оборотов. Однако для начала следует разобраться в ведь это позволит нам понять, на какую нагрузку лучше использовать такой регулятор.

Как работает тиристор?

Тиристор - это управляемый полупроводниковый прибор, способный проводить ток в одном направлении. Слово «управляемый» употреблено неспроста, поскольку с его помощью, в отличие от диода, который тоже проводит ток только к одному полюсу, можно выбирать момент, когда тиристор начнет проводить ток. Тиристор имеет три вывода:

• Анод.
• Катод.
• Управляющий электрод.

Для того чтобы ток начал течь через тиристор, необходимо выполнить следующие условия: деталь должна стоять в цепи, находящейся под напряжением, на управляющий электрод должен быть подан кратковременный импульс. В отличие от транзистора, управление тиристором не требует удержания управляющего сигнала. На этом нюансы не заканчиваются: тиристор можно закрыть, лишь прервав ток в цепи, или сформировав обратное напряжение анод - катод. Это значит, что использование тиристора в цепях постоянного тока весьма специфично и часто неблагоразумно, а вот цепях переменного, например в таком приборе как тиристорный регулятор мощности, схема построена таким образом, что обеспечено условие для закрытия. Каждая из полуволн будет закрывать соответствующий тиристор.

Вам, скорее всего, не всё понятно? Не стоит отчаиваться - ниже будет подробно описан процесс работы готового устройства.

Область применения тиристорных регуляторов

В каких цепях эффективно использовать тиристорный регулятор мощности? Схема позволяет отлично регулировать мощность нагревательных приборов, то есть воздействовать на активную нагрузку. При работе с высокоиндуктивной нагрузкой тиристоры могут просто не закрыться, что может привести к выходу регулятора из строя.

Можно ли двигателя?

Я думаю, многие из читателей видели или пользовались дрелями, углошлифовальными машинами, которые в народе именуют "болгарками", и прочим электроинструментом. Вы могли заметить, что количество оборотов зависит от глубины нажатия на кнопку-курок прибора. Вот в этот элемент как раз и встроен такой тиристорный регулятор мощности (схема которого приведена ниже), с помощью которого осуществляется изменение количества оборотов.

Обратите внимание! Тиристорный регулятор не может изменять обороты асинхронных двигателей. Таким образом, напряжение регулируется на коллекторных двигателях, оборудованных щёточным узлом.

Схема одном и двух тиристорах

Типовая схема для того, чтобы собрать тиристорный регулятор мощности своими руками изображена на рисунке ниже.

Выходное напряжение у данной схемы от 15 до 215 вольт, в случае применения указанных тиристоров, установленных на теплоотводах, мощность составляет порядка 1 кВт. Кстати выключатель с регулятором яркости света сделан по подобной схеме.

Если у вас нет необходимости полной регулировки напряжения и достаточно получать на выходе от 110 до 220 вольт, воспользуйтесь этой схемой, которая показывает однополупериодный регулятор мощности на тиристоре.

Как это работает?

Описанная ниже информация справедлива для большинства схем. Буквенные обозначения будут браться в соответствии первой схемы тиристорного регулятора

Тиристорный регулятор мощности, принцип работы которого основан на фазовом управлении величиной напряжения, изменяет и мощность. Данный принцип заключается в том, что в нормальных условиях на нагрузку действует переменное напряжение бытовой сети, изменяющееся по синусоидальному закону. Выше, при описании принципа работы тиристора, было сказано, что каждый тиристор работает в одном направлении, то есть управляет своей полуволной от синусоиды. Что это значит?

Если с помощью тиристора периодически подключать нагрузку в строго определенный момент, величина действующего напряжения будет ниже, поскольку часть напряжения (действующая величина, которая «попадёт» на нагрузку) будет меньше, чем сетевое. Данное явление проиллюстрировано на графике.

Заштрихованная область - это и есть область напряжения, которое оказалось под нагрузкой. Буквой «а» на горизонтальной оси обозначен момент открытия тиристора. Когда положительная полуволна закончится и начнется период с отрицательной полуволной, один из тиристоров закрывается, и в тот же момент открывается второй тиристор.

Разберемся, как работает конкретно наш тиристорный регулятор мощности

Схема первая

Оговорим заранее, что вместо слов "положительная" и "отрицательная" будут использованы «первая» и «вторая» (полуволна).

Итак, когда на нашу схему начинает действовать первая полуволна, начинают заряжаться ёмкости C1 и C2. Скорость их заряда ограничена потенциометром R5. данный элемент является переменным, и с его помощью задаётся выходное напряжение. Когда на конденсаторе C1 появляется необходимое для открытия динистора VS3 напряжение, динистор открывается, через него поступает ток, с помощью которого будет открыт тиристор VS1. Момент пробоя динистора и есть точка «а» на графике, представленном в предыдущем разделе статьи. Когда значение напряжения переходит через ноль и схема оказывается под второй полуволной, тиристор VS1 закрывается, и процесс повторяется заново, только для второго динистора, тиристора и конденсатора. Резисторы R3 и R3 служат для управления, а R1 и R2 - для термостабилизации схемы.

Принцип работы второй схемы аналогичен, но в ней идёт управление только одной из полуволн переменного напряжения. Теперь, зная принцип работы и схему, вы можете собрать или починить тиристорный регулятор мощности своими руками.

Применение регулятора в быту и техника безопасности

Нельзя не сказать о том, что данная схема не обеспечивает гальванической развязки от сети, поэтому существует опасность поражения электрическим током. Это значит, что не стоит касаться руками элементов регулятора. Необходимо использовать изолированный корпус. Следует проектировать конструкцию вашего прибора так, чтобы по возможности вы могли спрятать её в регулируемом устройстве, найти свободное место в корпусе. Если регулируемый прибор располагается стационарно, то вообще имеет смысл подключить его через выключатель с регулятором яркости света. Такое решение частично обезопасит от поражения током, избавит от необходимости поиска подходящего корпуса, имеет привлекательный внешний вид и изготовлено промышленным методом.

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.

Сборка

Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. Закупить необходимые электронные компоненты , радиатор и печатную плату.
5. Произвести разводку контактных дорожек на плате и подготовить площадки для установки элементов. Предусмотреть крепление на плате для симистора и радиатора.
6. 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».
7. Проверить собранную схему мультиметром в режиме сопротивления. Полученное изделие должно соответствовать изначальному проекту.
8. Надёжно закрепить симистор на радиатор. Между симистором и радиатором не забыть проложить изолирующую теплопередающую прокладку. Скрепляющий винт надёжно заизолировать.
9. Поместить собранную схему в пластиковый корпус.
10. Вспомнить о том, что на выводах элементов присутствует опасное напряжение.
11. Выкрутить потенциометр на минимум и произвести пробное включение. Измерить напряжение мультиметром на выходе регулятора. Плавно поворачивая ручку потенциометра следить за изменением напряжения на выходе.
12. Если результат устраивает, то можно подключать нагрузку к выходу регулятора. В противном случае необходимо произвести регулировки 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.

РЕГУЛИРОВКА МОЩНОСТИ

Чаще всего регуляторы мощности устройств делают на тринисторах, используя его в качестве выходного мощного ключа. Но тринистор в цепи переменного тока неудобен тем, что требует питания через выпрямительный мост, который при большой мощности нагрузки должен быть установлен на радиатор. В этом плане для ключевого элемента более удобен симистор. Основное отличие - это возможность коммутации не только постоянного, но и переменного тока, который может протекать в любом направлении - как от анода к катоду, так и в противоположную сторону.

Для справки: симисторы при положительном напряжении на аноде могут включаться импульсами любой полярности, подаваемыми на управляющий электрод относительно катода, а при отрицательном напряжении на аноде - импульсами только отрицательной полярности. Управление симистором постоянным током требует большой мощности, а при импульсном управлении необходим формирователь, обеспечивающий короткие импульсы в момент прохождения сетевого напряжения через ноль, что снижает уровень помех по сравнению с регуляторами, в которых использован фазоимпульсный метод регулирования.

Устройство регулировки мощности содержит симистор, узел временной (фазовой) задержки, компенсирующую цепь и источник питания. Компенсирующая цепочка R8 C2 к напряжению стабилитрона VD3 добавляет величину напряжения, пропорциональную питающему напряжению. Эта сумма является межбазовым напряжением однопереходного транзистора КТ117. Уменьшение питающего напряжения снижает напряжение питания транзистора и вызывает уменьшение временной задержки. От известной схемы симисторного регулятора мощности на BT136-600 и динисторе DB-3, эта отличается стабилизацией управляющих импульсов и соответственно большей точностью и неизменностью выходного напряжения.

При наладке устройства регулировки мощности, надо включить его в сеть с нагрузкой через , а параллельно нагрузке установить вольтметр. Меняя напряжение переменным резистором R8 на входе регулятора, добиваемся минимального напряжения на нагрузке. Трансформатор выполнен на сердечнике Ш5х6, первичная обмотка 40 витков, вторичная 50 витков ПЭЛ-0,2 - 0.3. В своём варианте устройства регулировки мощности поставил трансформатор на ферритовом кольце К20х10х6 с двумя одинаковыми обмотками по 40 витков - всё отлично заработало. Для визуального контроля напряжения (мощности) на нагрузке, поставил небольшой вольтметр переменного тока собранный из индикатора уровня записи бобинного советского магнитофона. Подключаем его естественно параллельно нагрузке. красного свечения показывают, что устройство регулировки мощности включено в сеть и выполняют подсветку шкалы.

К данному регулятору можно подключать активную нагрузку мощностью до двух киловат - электроплиты, электрочайники, электрокамины, утюги и т. д., а при замене симистора на более мощный, например ТС132-50, до 10 кВт. Реальный пример использования: у соседа постоянно выбивают пробки автоматы на 16 А при эксплуатации электрочайника Тефаль 2 кВт. Замена их невозможна, так как проживает он не в своей квартире. Проблему решило данное устройство для регулировки, установленное на 80% мощности.

Полезные доработки: при работе с индуктивной нагрузкой, параллельно симистору регулятора мощности надо включить RC цепочку для ограничения скорости нарастания анодного напряжения. Любой симисторный регулятор является источником радиопомех, поэтому регулятор мощности желательно снабдить фильтром радиопомех. Фильтр радиопомех LC представляет собой обычный Г-фильтр с катушкой и конденсатором. В качестве дросселя L используется катушка из 100 витков провода, намотанного на ферритовый стержень диаметром 8 мм и длиной 50 мм. Диаметр провода 1 мм соответствует максимальной мощности нагрузки примерно 700 Вт. Предохранитель на номинальный ток нагрузки защищает симистор от короткого замыкания в нагрузке. При настройке соблюдайте меры безопасности, так как все элементы устройства для регулировки мощности гальванически связаны с сетью 220 В.

Вопросы и коментарии по схеме - на

Применение современной схемотехники с использованием простых оригинальных решений на традиционной элементной базе и на новых малогабаритных микросхемах позволяет изготовить компактные и удобные в эксплуатации регуляторы большой мощности . В данной статье описано несколько простых конструкций регуляторов мощности нагрузки до 5 кВт, которые легко изготовить из доступных деталей.

Электронные регуляторы мощности нагрузки в настоящее время широко используются в промышленности и быту для плавного регулирования скорости вращения электродвигателей , температуры нагревательных приборов, интенсивности освещения помещений электрическими лампами, установки необходимого сварочного тока, регулировки зарядного тока аккумуляторных батарей и т.п. Раньше для этого использовались громоздкие трансформаторы и автотрансформаторы со ступенчатым или плавным переключением витков их обмоток, работающих на нагрузку. Электронные регуляторы более компактны, удобны в эксплуатации и имеют малый вес при значительно большей мощности. В основном, исполнительными элементами электронных регуляторов мощности переменного тока являются: тиристор, симистор и оптотиристор, управление последним осуществляется через встроенную в него оптопару, устраняющую гальваническую связь между схемой управления и питающей электросетью.

Регулирование мощности этими элементами основано на изменении фазы включения симистора в каждой полуволне синусоидального напряжения схемой управления. В результате этого на нагрузке форма напряжения представляет собой «обрезки» полуволн синусоиды с крутыми фронтами (рис.1). При этом форма напряжения на самом регуляторе мощности имеет вид, показанный на рис.2. Такая форма сигнала имеет широкий спектр гармоник, которые, распространяясь по электропроводке, могут создавать помехи электронным устройствам: телевизорам, компьютерам, звуковоспроизводящей аппаратуре и т.п. В связи с этим на сетевых входах таких регуляторов мощности устанавливаются RC- или RLC-фильтры.

Рис.1

На практике все выпускаемые сейчас электронные бытовые устройства и компьютеры имеют свои встроенные сетевые фильтры, благодаря которым помехи регуляторов мощности могут не влиять на работу указанных электронных устройств. Автором проверялись различные регуляторы мощности без собственных сетевых фильтров в комнатах, где установлены телевизор, ком-

Рис.2

пьютер, приемник FM и DVD-проигрыватель с УМЗЧ Воздействия помех на эту аппаратуру не наблюдалось, но это не значит, что фильтры вообще не нужны. Эти регуляторы мощности могут создавать помехи электронной аппаратуре соседей по подъезду. Практические исследования распространения помех по электропроводке в соседних комнатах с помощью осциллографа показали, что при регулировании мощности нагрузки до 2 кВт достаточно RC-фильтра, что подтверждается схемами промышленных изделий. Для регуляторов большей мощности необходимо после RC-фильтра подключить LC-фильтр,

Рис.3

Рис.4

Принципиальная схема сетевого фильтра промышленного регулятора мощности до 4 кВт типа РТ-4 УХЛ4.2 220В-1 Р30 показана на рис.3, монтаж регулятора - на рис.4. Каждая катушка содержит 90 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм, намотанного в два слоя на каркасе, внутри которого размещен ферритовый сердечник с проницаемостью Ф600 диаметром 8 мм. Индуктивность катушки равна 0,25 мГн. Регуляторы мощности без фильтров могут использоваться в гаражах, индивидуальных подсобных помещениях, дачах и т.п., то есть вдали от соседей. Если регулятор мощности является отдельным изделием и предназначен для подключения нагрузок разной мощности, пользователям важно знать, что при одном и том же положении ручки регулятора на разных нагрузках будет разное напряжение. По этой причине перед подключением нагрузки регулятор мощности необходимо устанавливать в нулевое положение. При необходимости контролировать напряжение на нагрузке можно отдельным или встроенным вольтметром.

В Интернете и электротехнических журналах приведено множество различных схем электронных регуляторов мощности нагрузки с практически одинаковыми функциями, но есть и другие схемные решения, например регуляторы, не создающие помех . Эти регуляторы выдают пачки синусоидальных токов, длительностью которых регулируется мощность в нагрузке. Схемы таких регуляторов относительно сложны и могут применяться в каких-то особых случаях. Применение подобных регуляторов в промышленности не встречалось. Подавляющее большинство регуляторов мощности построены по принципу фазового регулирования тока в нагрузке. Основное различие - схемы управления тиристорами и симисторами. Силовая часть представляет собой практически три варианта: тиристор в диагонали диодного моста, два встречно-параллельных тиристора и симистор. Схемы управления представляют собой различные варианты на транзисторах, микросхемах, динисторах, газоразрядных приборах, однопереходных транзисторах и т.п., часть которых приведена в [ 1-6]. Такие схемы содержат много деталей, относительно сложны в изготовлении и наладке.

Регуляторы на тиристорах

Самым простым и широко используемым регулятором мощности был регулятор на тиристоре, включенном в диагональ диодного моста и с простой схемой управления (рис.5) . Принцип работы этого регулятора очень простой пока конденсатор С2 заряжается через R2 и R4, тиристор заперт, при достижении на С2 напряжения отпирания тиристор открывается и пропускает ток в нагрузку, а С2 быстро разряжается через низкое

Рис.5 регулятор мощности на тиристоре

сопротивление открытого тиристора. При переходе синусоидального напряжения сети через ноль тиристор запирается и ждет нового повышения напряжения на С2 Чем больше времени заряжается С2, тем меньше времени тиристор находится в открытом состоянии и меньше ток в нагрузке. Чем меньше величина R4, тем быстрее заряжается С2 и больше ток пропускается в нагрузку. Достоинством этой схемы является то, что независимо от параметров исправного тиристора положительные и отрицательные импульсы тока в нагрузке всегда симметричны, а также наличие только одного тиристора, которые при их появлении были дефицитом. Недостатком является наличие четырех мощных диодов, что вместе с тиристором и охладителями существенно увеличивает габариты регулятора. Более компактными и в два раза более мощными являются регуляторы мощности на включенных встречно-параллельно тиристорах. На двух тиристорах КУ202Н с простой схемой управления получается регулятор мощности нагрузки до 4 кВт, которая длительно используется автором в калорифере повышенной мощности .

Принципиальная схема такого регулятора с сетевым фильтром показана на рис.6. Недостатком таких схем является асимметрия положительных и отрицательных импульсов тока в нагрузке при разбросе параметров тиристоров.

Рис.6

Асимметрия проявляется в начальной стадии открывания тиристоров. Для нагревательных приборов и электроинструмента с коллекторными двигателями эта асимметрия практической роли не играет, а осветительные приборы при уменьшении их яркости начинают мигать, так как импульсы какой-то полярности при этом вообще исчезают. Для устранения этого недостатка необходимо подбирать тиристоры с идентичными параметрами по току открывания и току удержания тиристоров от технологического источника постоянного тока на соответствующей нагрузке или путем подбора второго тиристора по отсутствию мигания лампы при минимальном накале спирали.

Одной из разновидностей тиристоров являются оптотиристоры, для управления которыми при встречнопараллельном включении может быть применен принцип управления схемы рис.5 с разделением положительных и отрицательных управляющих импульсов с помощью диодов или динисторов.

Практическая принципиальная схема такого регулятора мощности нагрузки до 5 кВт показана на рис.7. Этот регулятор используется автором для регулировки сварочного тока и режимов работы других мощных электроустройств. Регулятор мощности снабжен стрелочным индикатором напряжения на нагрузке, что повышает удобство при его эксплуатации. На рис.8 виден стрелочный индикатор (поз.1), на котором приклеены детали его выпрямителя и фильтра. Регулятор не имеет сетевого фильтра, так как применяется либо на даче, либо в гараже. При необходимости в нем можно применить фильтр, схема которого показана на рис.3.

Рис.7, схема регулятора мощности на оптотиристорах

Рис.8

Регуляторы на симисторах

Особый интерес представляют современные схемы регуляторов мощности на симисторах. Традиционные схемы управления симисторами содержат относительно много деталей, что наглядно видно на монтажной плате промышленного регулятора, показанной на рис.4. Например, микросхема КР1167КП1Б выдает на управляющий электрод симистора управляющие импульсы, показанные на осциллограмме (рис.9). Принципиальная схема регулятора мощности с применением данной микросхемы, распространенная среди запорожских электриков, показана на рис. 10. Этот регулятор мощности без теплоотвода для VS1 может работать на нагрузку до 200 Вт

Рис.9

(рис. 11 ), а с радиатором площадью не менее 100 см 2 - до 2 кВт. Оказалось, что эту схему без потери качества можно еще упростить. Упрощенная схема регулятора с этой микросхемой показана на рис. 12. При использовании исправных деталей эти схемы не требуют наладки.

Рис.10, схема регулятора мощности на симисторах

При изготовлении регуляторов для прикроватных светильников оказалось, что некоторые симисторы и микросхемы имеют дефекты, влияющие на симметричность импульсов и, соответственно, на равномерность регулировки свечения ламп, и даже приводящие к их

Рис.11

миганию. Перепайка деталей на печатной плате является неприятной процедурой и приводит к ее порче. В связи с этим была изготовлена проверочная плата по схеме рис. 10 (без R1 и С1) с панелькой для однорядной микросхемы, которая решила указанные проблемы. К контактам 1 -2 печатной платы подпаивают регу-

Рис. 12

лировочный резистор R5. В качестве нагрузки подключают лампу накаливания. Перед установкой деталей для проверки плату в обязательном порядке отключают от электросети.

На базе схемы рис.11 изготовлен портативный технологический регулятор для различных работ. Монтаж деталей показан на фото в начале статьи (нижняя крышка снята). Схема собрана в алюминиевом корпусе, который также служит охладителем симистора, изолированным от корпуса слюдяной прокладкой и изоляционной спецшайбой. После крепления симистора необходимо в обязательном порядке проверить сопротивление изоляции между его анодом и корпусом, которое должно быть не менее 1 МОм Данный регулятор при испытании в течение двух часов нормально работал без нагрева корпуса на нагрузку мощностью 500 Вт.

В заключение следует отметить, что регуляторы мощности нагрузки, собранные по схемам рис.6 и рис. 10, испытанные длительной эксплуатацией, наиболее оптимальны в части надежности, компактности, простоты деталей, монтажа и наладки. С небольшими разбросами параметров тиристоров и асимметричностью параметров симисторов эти регуляторы могут работать на все типы нагрузок соответствующей мощности, кроме осветительных приборов. Отклонение номиналов резисторов и конденсаторов от указанных в схемах на 10...20% на работу регуляторов не влияют. Приведенные схемы управления могут работать и с более мощными тиристорами и симисторами в регуляторах мощности нагрузок до 5 кВт. Регулятор мощности по схеме рис. 12 рекомендуют применять для осветительных приборов мощностью до 100 Вт без теплоотвода. Работа этого регулятора на другие типы нагрузок не испытывалась, но предположительно он не должен быть хуже регулятора, собранного по схеме рис. 10 .

А.Н. Журенков

Литература

1. Золотарев С. Регулятор мощности // Радио. -1989. - №11.

2. Карапетьянц В. Усовершенствование регулятора мощности // Радио. - 1986. -№11.

3. Леонтьев А., Лукаш С. Регулятор напряжения с фазоимпульсным управлением // Радио -1992. - №9.

4. Бирюков С. Двухканальный симисторный регулятор // Радио. - 2000. - №2.

5 . Зорин С. Регулятор мощности // Радио. -2000 . - № 8 .

6. Журенков А. Фен с электронным регулятором мощности // Электрик. - 2009. - №1-2.

7. Журенков А. Калорифер повышенной мощности // Электрик. - 2009. - №9.

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.

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:

1. Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
2. 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:

1. Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
2. 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.