В статье описан регулятор мощности переменного тока, принцип работы которого основан на изменении целого числа полупериодов сетевого напряжения, подаваемого в нагрузку, в единицу времени. Включение и выключение нагрузки происходят вблизи моментов перехода сетевого напряжения через нуль, что практически исключает коммутационные помехи, присущие регуляторам с фазоимпульсным управлением.
Частота коммутации сравнительно невелика, поэтому регулятор следует использовать только с теплоинерционными нагрузками (например, с паяльниками, маломощными нагревателями) Для регулировки яркости ламп накаливания, даже мощных, он мало пригоден — они будут заметно мигать.
Схема регулятора мощности представлена на рис. 1. От прототипа [1] предлагаемая конструкция отличается схемной простотой, меньшим числом деталей и несколько большей экономичностью. Так, например, совмещение элементом DD1.4 функций выпрямителя и детектора нуля позволило упростить схему. В качестве стабилитрона использован эмиттерный переход транзистора VT2 [2]. Резистор R1 в входной цепи элемента DD1.1 ограничивает импульсы тока через конденсатор С1, возникающие в момент переключения элемента DD1.3.
Ещё одно отличие заключается в способе управления симистором. В прототипе [1] симистор после перехода сетевого напряжения через нуль открывается серией коротких импульсов частотой несколько килогерц. Такое решение повышает экономичность, но приводит к тому, что в начале полупериода, когда ток через нагрузку ещё недостаточен для удержания симистора открытым, он закрывается с окончанием каждого открывающего импульса и открывается с началом следующего. Эта многократная коммутация нагрузки создаёт помехи в сети. Если нагрузка высокоомная или содержит индуктивную составляющую, эффект усугубляется, поскольку процесс включения симистора занимает большее время. К тому же не все нагрузки допустимо питать напряжением, содержащим составляющие повышенной частоты.
В предлагаемом мной регуляторе симистор VS1 открывается одиночным длинным импульсом в начале полупериода сетевого напряжения. Это исключает упомянутую выше коммутацию тока нагрузки и позволяет упростить устройство. Длительность импульса (около 10 % от периода) выбрана такой, чтобы симистор надёжно открывался даже с нагрузками маломощными или имеющими не слишком большую индуктивную составляющую.
На элементах DD1.1 и DD1.3 собран генератор прямоугольных импульсов, скважность которых можно регулировать переменным резистором R3. Частоту генератора определяют элементы R3, С1, и при номиналах, указанных на схеме, она равна 5 Гц.
Если на выходе элемента DD1.3 присутствует высокий уровень, на базу транзистора VT1 поступают импульсы с частотой, равной удвоенной частоте сетевого напряжения. Их формируют элементы DD1.2 и DD1.4 в те отрезки времени, когда сетевое напряжение близко к нулю (работа формирователя импульсов описана далее). Каждый такой импульс, усиленный по току транзистором VT1, открывает симистор VS1, подключающий нагрузку к сети.
Когда же на выходе элемента DD1.3 устанавливается низкий уровень, элемент DD1.4 запрещает прохождение импульсов на базу транзистора VT1 (в это время на ней присутствует высокий уровень, поэтому транзистор закрыт) и симистор VS1, если был открыт, закрывается в конце текущего полупериода, отключая нагрузку от сети.
Рассмотрим работу формирователя импульсов на протяжении одного периода сетевого напряжения, когда на выходе элемента DD1.3 установился высокий уровень. Когда на верхнем по схеме контакте сетевой вилки X2 плюс напряжения, а на нижнем — минус и мгновенное значение напряжения сети более 40 В, делитель R2R4R6 формирует на входах элемента DD1.2 высокий уровень. На выходе этого элемента устанавливается низкий уровень, поэтому диод VD3 открыт и на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 — низкий уровень. Диод VD4 при этом закрыт сетевым напряжением.
Таким образом, элемент DD1.4 формирует на выходе высокий уровень. Напряжение на базе транзистора VT1 близко к напряжению на его эмиттере, поэтому транзистор закрыт и не пропускает ток через управляющий электрод симистора.
Как только мгновенное напряжение сети снизится до 40 В. на входах элемента DD1.2 появится низкий уровень, а на его выходе — высокий. Диод VD3 закроется, на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 напряжение, увеличиваясь, достигнет единичного уровня, а на выходе появится низкий уровень. Транзистор VT1 откроется, и начнётся формирование импульса запуска симистора.
Такое состояние элементов DD1.2, DD 1.4 сохранится при переходе сетевым напряжением через нуль и дальнейшем повышении примерно до 40 В. но уже в обратной полярности (на верхнем контакте вилки Х2 — минус). Как только сорокавольтная граница будет пройдена, откроется диод VD4 и на нижнем по схеме входе элемента DD1.4 установится низкий уровень. На выходе этого элемента снова появится высокий уровень, и транзистор VT1 закроется. Формирование управляющего импульса будет завершено.
Таким образом, ток через управляющий электрод симистора VSI не прерывается при переходе сетевого напряжения через нуль, а значит, отсутствует скачок тока нагрузки в начале полупериода. Границы сетевого напряжения, задающие моменты начала и окончания открывающего импульса, определяются сопротивлением резисторов R5. R6 для отрицательной полуволны (минус на верхнем по схеме контакте сетевой вилки Х2) и R2, R4, R6 для положительной.
Диод VD4 отсекает положительную (относительно вывода 14 микросхемы DD1) полуволну сетевого напряжения. Резистор R7 ограничивает ток через управляющий электрод симистора VS1. Резистор R8 предотвращает возможность открывания симистора при повышенной температуре из-за помех в сети.
Резистор R6 и внутренним резистор R1 входной цепи логического элемента DD1.4, фрагмент схемы которого показан на рис. 2, совместно с транзистором VT2 образуют параметрический стабилизатор, питающий микросхему DD1 напряжением около 9 В через однополупериодный выпрямитель на диоде VD4 и внутреннем защитном диоде VD3 (рис. 2). Сопротивление внутреннего резистора R1 (несколько килоом) практически не влияет на режим параметрического стабилизатора. Во время отрицательной полуволны сетевого напряжения эти диоды, включённые последовательно—согласно, пропускают ток к остальным элементам регулятора. Конденсатор С2 сглаживает пульсации выпрямленного напряжения. Он заряжается во время каждого отрицательного (относительно вывода 14 микросхемы DD1) полупериода и отдаёт накопленный заряд, питая микросхему и цепь управляющего электрода симистора во время импульса.
Переменным резистором R3 можно регулировать соотношение значений длительности высокого и низкого уровней на выходе элемента DD1.3. изменяя таким образом число полупериодов сетевого напряжения, поступающее в нагрузку, а значит, и выделяющуюся в ней мощность. Так как симистор открывается в начале и закрывается в конце полупериода, изменение мощности происходит дискретно.
При частоте сети 50 Гц устройство имеет 20 ступеней регулирования мощности. Каждая очередная ступень изменяет число пропускаемых в нагрузку полупериодов на единицу, что соответствует изменению мощности на 5 % от номинальной нагрузки.
Все детали регулятора, кроме симистора VS1 и резистора R3. располагают на односторонней печатной плате (рис. 3) из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм. Симистор при работе устройства практически не нагревается.
При монтаже регулятора и пользовании им не забывайте, что все его детали и ось переменного резистора R3 находятся под опасным напряжением сети 220 В. Это требует надёжной изоляции токоведущих элементов.
Резистор R3 (серим СП или СПО, с линейной зависимостью сопротивления от угла поворота оси) размещают на лицевой панели корпуса регулятора. Ось резистора обязательно снабжают изолирующей ручкой. Резисторы (МЛТ), конденсаторы (С1 — КМ, КД; С2 — оксидный импортный) и диоды располагают перпендикулярно плате.
Микросхему К561ЛА7 можно заменить на К1561ЛА7 (а также на 564ЛА7, 1564ЛА7 с соответствующей коррекцией рисунка печатных проводников платы). Транзистор VT1 — любой из серий КТ3107, КТ361, КТ502 с коэффициентом передачи тока не менее 50. Вместо транзистора КТ315Б (VT2) можно установить стабилитрон КС191А. 2С191А, КС191Ж. 2С191Ж. Диоды КД521А допустимо заменить на КД521В, КД521Г, КД503А. КД503Б, КД509А или другие малогабаритные с обратным напряжением не менее 20 В, а КД105Г — на КД105Б, КД105В, КД226В-КД226Д или другой маломощный с обратным напряжением не менее 400 В.
Налаживания устройство не требует и при отсутствии ошибок в монтаже начинает работать сразу. Визуально проверить работу регулятора можно, подключив в качестве нагрузки маломощную лампу накаливания. Вращая движок резистора R3, наблюдают изменение числа вспышек лампы, разделённых паузами.
LITTÉRATURE
1. С. Бирюков. Симисторные регуляторы мощности Радио, 1996, № 1 t 44- 46.
2 Д. Приймак Миниатюрный регулятор мощности паяльника. — Радио 1985. № 7, 48
От редакции. Необходимо иметь в виду что при нечётном числе пропускаемых в нагрузку полупериодов сети устройство становится причиной появления в питающей сети постоянной составляющей тока. Поэтому в соответствии с нормативами для электроэнергетических установок подобные регуляторы недопустимо применять с нагрузками мощностью более 40 Вт.
«Радио» №7 2012г.
