Фазовый регулятор мощности для нагрузки 8…1000 Вт

Для регулирования потребляемой мощности работающих от сети 220 В/50 Гц ламп накаливания, электронагревательных приборов и коллекторных электродвигателей чаще всего применяют фазовые регуляторы мощности.

Для этого используют тиристорные, симисторные или аналогичные им устройства с силовыми ключами на мощ­ных биполярных или полевых транзисторах, работающих по принципу фазового управления мощностью, подаваемой на нагрузку. Подобные устройства обычно относительно мало­габаритны, имеют высокий КПД, просты в изготовлении и настройке.

На рис.1 показана принципиальная схема фазового ре­гулятора мощности, силовой ключ в котором реализован на мощном симисторе. В отличие от большинства аналогичных фазовых регуляторов мощности это устройство при ком­пактных размерах имеет хорошее качество подавления создаваемых им помех, присутствие которых типично для большинства таких устройств. Рассматриваемая конструк­ция не содержит дефицитных радиодеталей, проста в изго­товлении и настройке.

Напряжение 220 В/50 Гц через плавкий предохрани­тель FU1 и замкнутые контакты выключателя SA1 посту­пает на помехоподавляющий П-фильтр R2C1L1C3R4. Этот фильтр уменьшает интенсивность помех, которые могут проникать как от работающего регулятора в сеть питания (это может создавать помехи радиоприёму или давать на­водки на расположенный рядом УМЗЧ), так и из сети в регулятор (это может ухудшить стабильность его работы). О включении устройства в сеть информирует светящийся светодиод HL2, включенный в диагональ диодного выпря­мительного моста VD5-VD8. Резистор R5 ограничивает ток через этот светодиод.

На биполярных транзисторах VT1, VT2, резисторах R11, R12 выполнен аналог однопереходного транзистора. Когда напряжение на конденсаторе С4 и на выводе эмиттера VT2 становится больше напряжения в общей точке соеди­нения вывода базы VT2 и резисторов R11, R12, транзисто­ры VT1, VT2 лавинообразно открываются. При этом на вы­вод управления высоковольтного маломощного тиристора VS2 поступает открывающий импульс, тиристор открывает­ся, вместе с ним открывается мощный высоковольтный си­мистор VS1, на нагрузку поступает напряжение питания.

Эти процессы происходят в каждой полуволне сетево­го напряжения с частотой 100 Гц (при частоте сети 50 Гц). Задержка открывания транзисторов VT1, VT2 зависит от скорости зарядки конденсатора С4. Чем меньше установ­ленное сопротивление переменного резистора R13, тем раньше будут открываться эти транзисторы и управляе­мый ими силовой ключ, тем большая мощность будет по­ступать в подключенную нагрузку. Диодный мост VD9 вы­прямляет напряжение переменного тока для работы тиристорного и транзисторного узлов. Стабилитрон VD10 огра­ничивает рост амплитуды напряжения на элементах тран­зисторного узла при большом установленном сопротивле­нии R13. Резистор R9 ограничивает разрядный ток конденсатора С4. Резистор R6 ограничивает максимальный ток через открытый тиристор VS2, диоды выпрямительно­го моста VD9 и управляющий электрод симистора VS1. Фильтр L2C2R3 дополнительно снижает уровень создавае­мых устройством импульсных помех. Светодиод HL1 све­тится при наличии поступающего на нагрузку напряжения питания. Чем больше поступающая на нагрузку мощность, тем ярче светит этот светодиод.

Конструкция и детали

Большинство деталей конструкции размещено на монтаж­ной плате размерами 132×53 мм (рис.2).

Постоянные резисторы можно применить типов МЯТ, РПМ, С1-4, С2-23, С2-33 и аналогичные. Резисторы R2-R4 жела­тельно установить невозгораемые, например, Р1-7 или им­портные разрывные. Переменный резистор СП3-30а, СП-1, СПЗ-12, СПЗ-4 или аналогичный. Для обеспечения электробезопасности на поворотную ось переменного резистора на­девают пластмассовую регулировочную ручку, металличес­кий экран переменного резистора оставляют неподключен­ным к электрической схеме.

Конденсатор С1 керамический высоковольтный на рабо­чее напряжение переменного тока не менее 250 В или по­стоянного тока не менее 1600 В, например, типа К15-5. Конденсаторы С2, СЗ применены высоковольтные плёночные, подойдут конденсаторы на рабочее напряжение не ни­же 250 В переменного тока или не ниже 630 В постоянного тока, например, типа К73-17, К73-24 ёмкостью 0,1. ..0,22 мкФ. Конденсатор С4 любой малогабаритный плёночный.

Выпрямительные диоды 1N4148 можно заменить любы­ми из 1N914, 1SS176, 1SS244, КД510, КД521, КД522. Выпря­мительный мост VD9 заменим КЦ422Г, DB104-DB107, RB154-RB157. Вместо готового выпрямительного моста мож­но установить четыре диода, например, КД221В, КД209Б. Ста­билитрон Д814Д1 можно заменить Д814Д, КС212Ж, 2С212Ж, 2С213Б, 1N4742A, 1N4743A, BZV55C-12, TZMC-12. Светоди­оды DB5-433ARA-B красного цвета свечения, яркость 3300 мкд (миликандел), и DB5-433BG-B зелёного цвета свечения, яр­кость 2000 мкд, можно заменить любыми аналогичными не­прерывного свечения, например, из серий L-1503, КИПД21, КИПД40, КИПД66.

Транзистор КТ502А можно заменить любым из серий КТ502, КТ6112, КТ6115, КТ639, SS8550, SS9012, 2SA643. Вме­сто КТ503 подойдёт любой из серий КТ503, КТ6111, КТ6113, КТ645, SS8050, 2SC2116, 2SD261, SS8050, SS9013. Указан­ные транзисторы имеют отличия в типе корпуса и цоколёв­ке выводов.

Маломощный высоковольтный тиристор MCR100-6, кото­рый имеет малые токи удержания и управления, можно за­менить любым из MCR100-6ZL1, MCR100-008, MCR100-8RL, P0102DA1AA3, P0111DA1AA3, P0118DA1AA3, Х00602МА1АА2, Х0202МА1ВА2, Х00602МА1АА2. Симистор MAC320A8FP рас­считан на коммутируемый ток нагрузки до 20 А и рабочее напряжение до 600 В. Его можно заменить MAC320A6FP, MAC320A10FP, MAC228-6FP, MAC228A6FP, MAC228-8FP, MAC228A8FP, MAC212A8FP, MAC212A10FP. Указанные симисторы выполнены в изолированных корпусах. Симистор установлен на дюралюминиевый теплоотвод с площадью ох­лаждающей поверхности 80 см² (рис.3). Для установки си­мистора применяется дополнительная тонкая изолирующая слюдяная прокладка под корпус симистора и толстая гетинаксовая шайба под гайку. Теплоотвод прикреплён к боко­вой и верхней стенке стального корпуса. Все соединяемые поверхности теплового интерфейса смазаны теплопровод­ной пастой КПТ-8. Если корпус, например, пластмассовый, то свободно смонтированный теплоотвод для симистора при­меняют с площадью охлаждающей поверхности не менее 150 см².

Дроссель L1 самодельный, сердечник Ш-образный пермаллоевый с сечением 9×9 мм. Каждая обмотка намотана в своей секции, содержит 9 витков, направление намотки об­моток одинаковое. Для удобства изготовления дросселя при­менён литцендрат 16×0,18 мм, изготовленный из обмоточно­го провода. Замыкающие пластины сердечника приклеены к Ш-образным пластинам клеем «БФ» через бумажную прокладку, вырезанную из листа офисной бумаги. Склеивают сердечник двухобмоточного дросселя в тисках.

Дроссель L2 сделан из дросселя индуктивностью 1000 мкГн от неисправной автомагнитолы, количество витков которого было уменьшено до получения индуктивности дросселя око­ло 300 мкГн. Подойдёт любой дроссель индуктивностью 100…300 мкГн, намотанный на кольцевом магнитопроводе, желательно с немагнитным зазором, обмотка которого рас­считана на ток 6 А. Избыточная индуктивность этого дрос­селя может привести к нестабильной работе регулятора с на­грузкой малой мощности. Обмотки изготовленных дросселей пропитывают цапонлаком.

Выключатель питания клавишный, рассчитанный на ком­мутируемый ток 12 А, обе группы контактов соединены па­раллельно.

Вид устройства в сборе показан на рис.4. Все детали смонтированы в стальном корпусе размерами 138x67x52 мм, толщина стенок 1 мм, который является частью теплоотвода. Все сильноточные цепи выполнены многожильным монтаж­ным проводом в двойной ПВХ изоляции с сечением 1 мм². Лицевая панель вырезана из полистирола толщиной 6 мм. На лицевой панели смонтированы переменный резистор, выклю­чатель питания, розетка для подключения нагрузки и свето­диоды. Держатель плавкого предохранителя закреплён на зад­ней металлической стенке корпуса.

При напряжении сети 220 В устройство обеспечивает регулировку действующего напряжения в диапазоне от 40 до 218 В. Для расширения диапазона регулировки необхо­димо установить переменный резистор R13 большего сопро­тивления, например, 220 кОм или 330 кОм, а конденсатор С4 применить меньшего номинала. Увеличить максималь­ную допустимую мощность подключаемой нагрузки можно, если установить симистор на более эффективный теплоот­вод, заменить плавкий предохранитель рассчитанным на больший рабочий ток, обмотки дросселей и выключатель пи­тания так же должны быть рассчитаны на работу с мощной нагрузкой.

Литература

1. Бутов А.Л. Симисторный регулятор-прерыватель тока нагрузки // Электрик. — 2010. — №10. — С.64-66.
2. Бутов А.Л. Регулятор мощности для электропаяльника в сетевой вилке // Электрик. — 2010. — №11-12. — С.56-57.

Автор: Андрей Бутов, с. Курба, Ярославской обл.