В последнее время в нашем быту все чаще применяются электронные устройства для плавной регулировки сетевого напряжения. С помощью таких приборов управляют яркостью свечения ламп, температурой электронагревательных приборов, частотой вращения электродвигателей.
Подавляющее большинство регуляторов напряжения, собранных на тиристорах, обладают существенными недостатками, ограничивающими их возможности. Во-первых, они вносят достаточно заметные помехи в электрическую сеть, что нередко отрицательно сказывается на работе телевизоров, радиоприемников, магнитофонов. Во-вторых, их можно применять только для управления нагрузкой с активным сопротивлением — электролампой или нагревательным элементом, и нельзя использовать совместно с нагрузкой индуктивного характера — электродвигателем, трансформатором.
Между тем все эти проблемы легко решить, собрав электронное устройство, в котором роль регулирующего элемента выполнял бы не тиристор, а мощный транзистор.
Принципиальная схема
Транзисторный регулятор напряжения (рис. 9.6) содержит минимум радиоэлементов, не вносит помех в электрическую сеть и работает на нагрузку как с активным, так и индуктивным сопротивлением. Его можно использовать для регулировки яркости свечения люстры или настольной лампы, температуры нагрева паяльника или электроплитки, скорости вращения электродвигателя вентилятора или дрели, напряжения на обмотке трансформатора. Устройство имеет следующие параметры: диапазон регулировки напряжения — от 0 до 218 В; максимальная мощность нагрузки при использовании в регулирующей цепи одного транзистора — не более 100 Вт.
Регулирующий элемент прибора — транзистор VT1. Диодный мост VD1...VD4 выпрямляет сетевое напряжение так, что к коллектору VT1 всегда приложено положительное напряжение. Трансформатор Т1 понижает напряжение 220 В до 5...8 В, которое выпрямляется диодным блоком VD6 и сглаживается конденсатором С1.
Рис. Принципиальная схема мощного регулятора сетевого напряжения 220В.
Переменный резистор R1 служит для регулировки величины управляющего напряжения, а резистор R2 ограничивает ток базы транзистора. Диод VD5 защищает VT1 от попадания на его базу напряжения отрицательной полярности. Устройство подсоединяется к сети вилкой ХР1. Розетка XS1 служит для подключения нагрузки.
Регулятор действует следующим образом. После включения питания тумблером S1 сетевое напряжение поступает одновременно на диоды VD1, VD2 и первичную обмотку трансформатора Т1.
При этом выпрямитель, состоящий из диодного моста VD6, конденсатора С1 и переменного резистора R1, формирует управляющее напряжение, которое поступает на базу транзистора и открывает его. Если в момент включения регулятора в сети оказалось напряжение отрицательной полярности, ток нагрузки протекает по цепи VD2 — эмиттер-коллектор VT1, VD3. Если полярность сетевого напряжения положительная, ток протекает по цепи VD1 — коллектор-эмиттер VT1, VD4.
Значение тока нагрузки зависит от величины управляющего напряжения на базе VT1. Вращая движок R1 и изменяя значение управляющего напряжения, управляют величиной тока коллектора VT1. Этот ток, а следовательно, и ток, протекающий в нагрузке, будет тем больше, чем выше уровень управляющего напряжения, и наоборот.
При крайнем правом по схеме положении движка переменного резистора транзистор окажется полностью открыт и «доза» электроэнергии, потребляемая нагрузкой, будет соответствовать номинальной величине. Если движок R1 переместить в крайнее левое положение, VT1 окажется запертым и ток через нагрузку не потечет.
Управляя транзистором, мы фактически регулируем амплитуду переменного напряжения и тока, действующих в нагрузке. Транзистор при этом работает в непрерывном режиме, благодаря чему такой регулятор лишен недостатков, свойственных тирис-торным устройствам.
Конструкция и детали
Теперь перейдем к конструкции прибора. Диодные мостики, конденсатор, резистор R2 и диод VD6 устанавливаются на монтажной плате размером 55x35 мм, выполненной из фольгированного ге-тинакса или текстолита толщиной 1...2 мм (рис. 9.7).
В устройстве можно использовать следующие детали. Транзистор — КТ812А(Б), КТ824А(Б), КТ828А(Б), КТ834А(Б,В), КТ840А(Б), КТ847А или КТ856А. Диодные мосты: VD1...VD4 - КЦ410В или КЦ412В, VD6 — КЦ405 или КЦ407 с любым буквенным индексом; диод VD5 — серии Д7, Д226 или Д237.
Переменный резистор — типа СП, СПО, ППБ мощностью не менее 2 Вт, постоянный — ВС, MJIT, ОМЛТ, С2-23. Оксидный конденсатор - К50-6, К50-16. Сетевой трансформатор — ТВЗ-1-6 от ламповых телевизоров, ТС-25, ТС-27 — от телевизора «Юность» или любой другой маломощный с напряжением вторичной обмотки 5...8 В.
Предохранитель рассчитан на максимальный ток 1 А. Тумблер — ТЗ-С или любой другой сетевой. ХР1 — стандартная сетевая вилка, XS1 — розетка.
Все элементы регулятора размещаются в пластмассовом корпусе с габаритами 150x100x80 мм. На верхней панели корпуса устанавливаются тумблер и переменный резистор, снабженный декоративной ручкой. Розетка для подключения нагрузки и гнездо предохранителя крепятся на одной из боковых стенок корпуса.
С той же стороны сделано отверстие для сетевого шнура. На дне корпуса установлены транзистор, трансформатор и монтажная плата. Транзистор необходимо снабдить радиатором с площадью рассеяния не менее 200 см2 и толщиной 3...5 мм.
Рис. Печаная плата мощного регулятора сетевого напряжения 220В.
Регулятор не нуждается в налаживании. При правильном монтаже и исправных деталях он начинает работать сразу после включения в сеть.
Теперь несколько рекомендаций тем, кто захочет усовершенствовать устройство. Изменения в основном касаются увеличения выходной мощности регулятора. Так, например, при использовании транзистора КТ856 мощность, потребляемая нагрузкой от сети, может составлять 150 Вт, для КТ834 — 200 Вт, а для КТ847 — 250 Вт.
Если необходимо еще больше увеличить выходную мощность прибора, в качестве регулирующего элемента можно применить несколько параллельно включенных транзисторов, соединив их соответствующие выводы.
Вероятно, в этом случае регулятор придется снабдить небольшим вентилятором для более интенсивного воздушного охлаждения полупроводниковых приборов. Кроме того, диодный мост VD1...VD4 потребуется заменить на четыре более мощных диода, рассчитанных на рабочее напряжение не менее 600 В и величину тока в соответствии с потребляемой нагрузкой.
Для этой цели подойдут приборы серий Д231...Д234, Д242, Д243, Д245 ..Д248. Необходимо будет также заменить VD5 на более мощный диод, рассчитанный на ток до I А. Также больший ток должен выдерживать предохранитель.
Сегодня я вам расскажу об очень полезной схеме, которая пригодится как в лаборатории, так и в хозяйстве. Устройство, о котором пойдет речь, называется симисторный регулятор мощности. Регулятор можно применить для плавной регулировки яркостью освещения, температуры паяльника, оборотами электродвигателя (переменного тока). Мой вариант применения регулятора интересней, я плавно регулирую температуру нагрева тэна мощностью 1кВт в самогонном аппарате. Да-да, я занимаюсь этим благородным делом.
Схема имеет минимум элементов и заводится сразу. Мощность нагрузки для симисторного регулятора определяется током симистора. Симистор BTA12-600 рассчитан на ток 12 Ампер и напряжение 600 Вольт. Симистор нужно выбирать с запасом по току, я выбрал двукратный запас. Например, симистор BTA12-600 с оптимальным охлаждением может в штатном режиме пропускать через себя ток 8 Ампер. Если нужен регулятор мощнее, используйте симистор BTA16-600 или BTA24-600.
Рабочая температура кристалла симистора от -40 до +125 градусов Цельсия. Необходимо сделать хорошее охлаждение. У меня нагрузка 1кВт, соответственно ток нагрузки около 5А, радиатор площадью 200см кв. греется от 85 до90 градусов Цельсия при длительной работе (до 6ч). Планирую увеличить рабочую площадь радиатора, чтобы повысить надежность устройства.
Симистор имеет управляющий вывод и два вывода, через которые проходит ток нагрузки. Эти два вывода можно менять местами ничего страшного не случиться.
Для безопасности (чтобы не щелкнуло током), симистор необходимо устанавливать на радиатор через диэлектрическую прокладку (полимерную или слюдяную) и диэлектрическую втулку.
Компоненты.
Резистор 4.7кОм мощностью 0,25Вт. Динистор с маркировкой DB3 , полярности не имеет, впаивать любой стороной. Конденсатор пленочный на 100нФ 400В полярности не имеет.
Светодиод любого цвета диаметром 3мм, обратное напряжение 5В, ток 25мА. Короче любой светодиод 3мм. Светодиод дает индикацию нагрузки, не пугайтесь, если при первом включении (естественно без нагрузки) он светиться не будет.
Первое включение необходимо производить кратковременно без нагрузки. Если все нормально, никакие элементы не греются, ничего не щелкнуло, тогда включаем без нагрузки на 15 секунд. Далее цепляем лампу напряжением 220В и мощностью 60-200Вт, крутим ручку переменного резистора и наслаждаемся работой.
Для защиты я установил в разрыв сетевого провода (220В) предохранитель на 12А.
Симисторные регуляторы мощности работают, используя фазовое управление. Они могут применяться, для изменения мощности различных электрических устройств работающих используя переменное напряжение.
Среди приборов могут быть электрические лампы накалывания, нагревательные приборы, электродвигатели переменного тока, трансформаторные сварочные аппараты, и многие другие. Они имеют большой диапазон регулировки, что дает им большой диапазон применения, в том числе и в быту.
Описание и принцип работы
Работа прибора основана на регулировании задержки включения симистора, когда происходит переход сетевого напряжения через ноль. Симистор в начале полупериода пребывает в положении закрыто. После того как вырастает напряжение положительной полуволны конденсатор заряжается со сдвигом по фазе от напряжения сети.
Этот сдвиг определяют значения сопротивления резисторов P1, R1, R2, и емкости конденсатора C1. При достижении на конденсаторе пороговой величины, включается симистор. Он становится проводящим, пропуская напряжения, этим он шунтирует цепь с резисторами и конденсаторами. Когда полупериод проходит через 0, симистор запирается.
Затем, когда конденсатор зарядится, вновь при отрицательной волне напряжения открывается. Такая работа симистора возможна благодаря его структуре. Он имеет пять слоев полупроводников с управляющим электродом. Что дает ему возможность менять местами анод с катодом. Говоря проще, его можно представить в виде двух тиристоров с встречно-параллельным подключением.
Область применения
Симисторные регуляторы мощности нашли свое применение не только в быту, но и во многих отраслях промышленности. В частности они успешно заменяют громоздкие релейно-контактные схемы управления. Помогают устанавливать оптимальные токи в автоматических сварных линиях, и во многих других отраслях.
Что же касается использования этих приборов в быту, то его использование самое разнообразное. От регулирования напряжение на лампы накалывания, до регулирования скорости вращения вентилятора. В двух словах диапазон насколько разнообразный, что его непросто описать.
Виды симисторных регуляторов мощности
Говоря об этих приборах, следует отметить, что все они работают по одному принципу. Главное их отличие это мощность, на которую они рассчитаны. Вторым отличием будет схема управления. Некоторые виды симистором могут потребовать более тонкой настройки управляющих сигналов. Управление может быть самым разнообразным, от конденсатора и пары резисторов, до современного микроконтроллера.
Схема
В регуляторах мощности может применяться много различных схем. Самой простой схемой считается применение переменного резистора, а самой сложной современного микроконтроллера. Если его использовать в домашних условиях, то можно остановиться на самой простой.
Её будет достаточно для большинства потребностей. Кроме регулировки освещенности, часто регулятор используют для . Те, кто любит заниматься дома электротехникой, имеют необходимость регулировать температуру паяльника.
Делать это с помощью переменных резисторов неудобно, плюс к этому идут большие потери электроэнергии. Лучшим выходом будет использование симисторного регулятора.
Как собрать регулятор
Для сборки возьмем простейшую принципиальную схему. В этой схеме используется симистор VD2 – ВТВ 12-600В (600 – 800 В, 12 А), резисторы: R1 -680 кОм, R2 – 47 кОм, R3 – 1.5 кОм, R4 – 47 кОм. Конденсаторы: С1 – 0,01 мФ, С2 – 0,039 мФ.
Чтобы собрать такую схему своими руками, вам понадобится делать определенные действия в правильном порядке:
- Необходимо приобрести все детали с перечня представленного выше.
- Вторым этапом будет разработка печатной платы. При разработке следует учесть, что часть деталей будет выполнена навесным монтажом. А часть деталей установится непосредственно в плату.
- Создание платы начинается с прорисовки рисунка с расположением деталей и контактных дорожек между деталями. Затем рисунок переносят на заготовку платы. Когда рисунок перенесен на плату, то далее все идет по известной методике. Травление платы, сверление отверстий под детали, лужение дорожек на плате. Многие используют для получения рисунка платы современными компьютерными программами, такими как Sprint Layout, но если у вас их нет ничего страшного. В данном случае мы имеем небольшую схему. Её можно сделать вручную.
- Когда плата готова, вставляем в подготовленные отверстия необходимые радиодетали детали, укорачиваем кусачками длину контактов до необходимой и начинаем пайку. Для этого прогреваем паяльником место контакта на плате, подносим к нему припой, когда припой расплывётся по поверхности в точке контакта, убираем паяльник, даем охладиться припою. При этом все детали должны оставаться на местах, не двигаться. При пайке следует соблюдать меры безопасности. В первую очередь надо беречься от ожогов, их может причинить контакт с паяльником, или брызги раскаленного припоя или флюса. Следует иметь одежду, максимально защищающую все участки тела. А для защиты глаз, необходимо надеть защитные очки. Место пайки должно быть в проветриваемом помещении, поскольку в процессе работы могут появляться едкие газы.
- Заключительным этапом сборки будет размещения полученной платы в коробку. Какую выбрать коробку, это будет напрямую зависеть от типа вашего регулятора. В случае с нашей схемой будет достаточно коробки размером с пластмассовую розетку. Небольшое количество деталей, самая большая из них переменный резистор, занимают мало места, и помещаются в маленькое пространство.
- Последним шагом будет проверка и настройка прибора. Для этого понадобится измерительный прибор для контроля напряжения, и устройство для нагрузки, в нашем случае паяльник. Вращая ручку регулятора, надо исследовать, насколько плавно меняется напряжения на выходе. При необходимости можно нанести метки возле резистора регулировки.
Цена
Рынок изобилует большим количеством предложений, с различным уровнем цен. На цену симисторных регуляторов мощности в первую очередь влияют несколько параметров:
- Мощность изделия, чем мощнее мощность, тем будет дороже ваш прибор.
- Сложность схемы управления, в самых простых схемах, основную стоимость ложится симисторы. В сложных схемах управления, где применены микроконтроллеры цена может вырасти из-за них. Они дают дополнительные возможности, соответственно за большую цену. Так регулятор на резисторе с показателями напряжения 220 В, мощность 2500 Вт. стоит 1200 рублей, а на микроконтроллере с такими же параметрами 2450 руб.
- Бренд изготовителя. Иногда за раскрученный бренд можно отдать на 50 % больше.
Сейчас можно встретить регуляторы мощности собранные по различным схемам. У каждой из них будут свои положительные стороны и недостатки. Современные регуляторы делятся на два типа, микропроцессорные и аналоговые. Аналоговые регуляторы можно отнести к системам экономного класса. Они известны со времен СССР, просты в исполнении и дешевые. Самым главным их недостатком есть постоянный контроль хозяина, или оператора.
Приведем простой пример, вам надо на выходе иметь напряжения 170 В., Когда вы выставляли это напряжения, подающее напряжение было 225 В, а теперь представим, что входящее напряжение изменилось на 10 В, соответственно измениться напряжение на выходе.
Если величина выходного напряжения влияет на процесс, то могут возникнуть проблемы. Кроме перепада подающего напряжения, на выходное могут влиять параметры самого регулятора. Так как со временем меняться емкость конденсатора, на переменный резистор может влиять влажность окружающей среды, добиться стабильной его работы невозможно.
В регуляторах на микропроцессорах такой проблемы нет. В них реализована обратная связь, позволяющая оперативно регулировать управляющий сигнал.
Одним из важных моментов длительной эксплуатации будет ремонт и сервис. Микропроцессорные регуляторы представляют собой сложное изделия, для его ремонта потребуются специализированные сервисные центры. Аналоговые регуляторы легче поддаются ремонту. Его может сделать любой радиолюбитель в домашних условиях.
Делать окончательный выбор по симисторному регулятору мощности можно после изучений условий для его работы. Когда вам не нужна большая точность на выходе, то резонно отдать предпочтения аналоговому прибору, экономя при этом деньги. Когда на выходе необходима точность, не экономьте, покупайте микропроцессорный прибор.
Беспомеховый регулятор напряжения 220/0-220 вольт 60 ватт
Большинство регуляторов напряжения (мощности) выполнено на тиристорах по схеме с фазоимпульсным управлением. Как известно, подобные устройства создают заметный уровень радиопомех. Предлагаемый автором статьи регулятор свободен от этого недостатка.
Особенность предлагаемого регулятора (см. схему) - 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 фольгированного стеклотекстолита толщиной 2,5 мм. Транзистор VT1 следует установить на теплоотвод площадью не менее 200 см 2 . 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 - 125Вт.
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 C1 - 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.
Литература
- Радио №11, 1999 с.40
Публикация: www.cxem.net
Простой регулятор мощности до 100Вт можно сделать всего из нескольких деталей. Его можно приспособить для регулирования температуры жала паяльника, яркости настольной лампы, скорости вентилятора и т.п. Регулятор на тиристоре получается по размерам сильно большой и конструктивно имеет недочеты и большую схему. Регулятор мощности на импортном малогабаритном симисторе mac97a (600В; 0,6А) можно коммутировать и более мощные нагрузки, простая схема, плавная регулировка, маленькие габариты.
Немного о принципе работы симистора
Если у тиристора есть анод и катод, то электроды у симистора так охарактеризовать нельзя, потому что каждый электрод является и анодом и катодом одновременно. В отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.
Как раз простой схемой, характеризующей принцип работы симистора служит наш электронный регулятор мощности.
После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность он закроется. Потом процесс повторяется.
Чем больше уровень управляющего напряжения тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса.
В данном случае изменяя управляющее напряжение мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника, а также скорость вентилятора.
Принципиальная схема регулятора на симисторе MAC97A6
Описание работы регулятора мощности на симисторе
При каждой полуволне сетевого напряжения конденсатор С заряжается через цепочку сопротивлений R1, R2, когда напряжение на С становится равным напряжению открывания динистора VD1 происходит пробой и разрядка конденсатора через управляющий электрод VS1 .
Динистор DB3 является двунаправленным диодом (триггер-диод), который специально создан для управления симистором или тиристором. В основном своем состоянии динистор DB3 не проводит через себя ток (не считая незначительный ток утечки) до тех пор, пока к нему не будет приложено напряжение пробоя.
В этот момент динистор переходит в режим лавинного пробоя и у него проявляется свойство отрицательного сопротивления. В результате этого на динисторе DB3 происходит падение напряжения в районе 5 вольт, и он начинает пропускать через себя ток, достаточный для открытия симистора или тиристора.
Диаграмма вольт-амперной характеристики (ВАХ) динистора DB3 изображена на рисунке:
Поскольку данный вид полупроводника является симметричным динистором (оба его вывода являются анодами), то нет разницы, как его подключать.
Характеристики динистора DB3
Кому нужно регулировать нагрузку более 100Вт, ниже представлена похожая схема более мощного регулятора на симисторе ВТ136-600.