В радиолюбительской литературе и в Интернете в основном рассматриваются сетевые регуляторы мощности (напряжения) с фазоимпульсным управлением, реже за счет изменения общего количества сетевых полупериодов, пропускаемых симистором за определенный интервал времени, например, такой как описан в [1]. Предлагаемый вниманию читателей регулятор также относится к последнему типу, но в отличие от описанного, выполнен в основном на микросхемах КМОП-логики, только узел определения момента перехода сетевого напряжения через ноль выполнен без применения микросхем.
Рассмотрим более подробно работу регулятора напряжения, показанного на рис.1. При конструировании данного регулятора ставилась задача гальванической развязки схемы управления от бытовой сети. Вследствие этого электропитание схемы осуществляется от отдельного блока питания напряжением 5 В. Участок схемы, выделенный пунктирной линией, – это узел определения момента перехода сетевого напряжения через ноль. Схема его позаимствована из [2], неоднократно повторялась и отлично себя зарекомендовала. Эта схема применялась в устройстве, которое подробно описано в [3].
Рис. 1
В момент перехода сетевого напряжения через ноль на резисторе R7 формируется положительный импульс длительностью несколько сотен микросекунд. Импульсы следуют с периодом 10 мс (полпериода сетевого напряжения), что неприемлемо. Необходимо сформировать управляющие импульсы с периодом повторения кратным периоду сетевого напряжения. Для их формирования импульсы с резистора R7 подаются на предварительный делитель частоты на 4, выполненный на двух последовательно включённых Т-триггерах, каждый из которых собран на D-триггере микросхемы DD1 типа CD4013. Период следования импульсов на выходе 1 DD1 равен 40 мс.
С этого выхода DD1 импульсы с необходимым периодом следования поступают на десятичный счётчик (делитель) импульсов с дешифратором DD2 типа CD4017. Дешифратор имеет десять выходов: Q0-Q9. При низком логическом уровне на входах СР и R счетчик выполняет свои операции синхронно с положительным перепадом на тактовом входе CN. Таким образом, при поступлении на вход микросхемы импульсов, последовательно на каждом из выходов появляется импульс длительностью 40 мс. Так будет продолжаться, пока счётчик не посчитает 10 импульсов. При поступлении на вход 11-го импульса вновь появится импульс на выходе Q0. Таким образом, период следования импульсов на выходе Q0 равен 400 мс. При сравнении предлагаемого регулятора и описанного в [1] видно, что в этой схеме образцовый интервал времени формируется цифровым методом и гораздо проще, чем [1].
С выходов микросхемы DD2 импульсы подаются на переключатель SA1, коммутирующий необходимый импульс на выходной RS-триггер. Этот триггер выполнен на оптотриаке U2, транзисторном оптроне U3 и транзисторе VT2. Верхний по схеме вывод резистора R10, подключённый к выводу Q0 микросхемы DD2, будем считать входом «set» триггера, а верхний вывод резистора R8, подключенного к SA1 – входом «reset» этого триггера.
Рассматриваемый RS-триггер работает следующим образом. При поступлении на вход «set» лог. «1», входной ток, протекая через резистор R10, диод VD7 и вход транзисторной оптопары U3.2 заставляет излучать внутренний ИК диод этого транзисторного оптрона. При достаточной интенсивности излучения, определяемого входным током, выходной транзистор U3.1 переходит в проводящее состояние и насыщается. Начинает протекать ток от источника питания по цепи: резистор R11, входная цепь U2, выходная цепь U3.1, входная цепь U3.2. В последующим, при отсутствии напряжения на входе «set», транзисторный оптрон U3 остаётся во включённом состоянии, так как через входную и выходную цепи его протекает один и тот же ток, поддерживая инфракрасный светодиод в состоянии излучения. RS-триггер включится в состояние лог. «1». Когда же на вход «reset» триггера с переключателя SA1 поступит лог. «1», то транзистор VT2 откроется базовым током, определяемым резистором R8, и зашунтирует входную цепь транзисторного оптрона. Внутренний ИК диод оптрона перестанет излучать, что приведёт к закрытию выходного транзистора U3.1 и прекращению тока через входную цепь U2. RS-триггер установится в состояние выключен (лог. «0»).
Как следует из вышеизложенного, время включённого состояния этого триггера можно изменять, подавая импульсы с выходов Q1-Q9 переключателем SA1 на вход «reset». В верхнем по схеме положении переключателя SA1 на вход «reset» постоянно подаётся лог. «1», и RS-триггер всегда выключен. В нижнем по схеме положении на вход «reset» всегда подается лог. «0», и триггер никогда не выключается. RS-триггер нагружен на входную цепь (ИК диод) маломощного интегрального оптотриака U2. Когда через входную цепь протекает достаточный ток, то выходная цепь оптосимистора переходит в проводящее состояние. Этот оптический полупроводниковый прибор имеет внутри встроенный детектор перехода сетевого напряжения через ноль. Для управления мощной нагрузкой используется симистор VS1, который, в свою очередь, управляется оптотриаком U2. Вследствие применения симисторной оптопары указанного типа, включение симистора VS1 происходит при минимальном напряжении сети, что значительно снижает помехи в бытовой сети.
Как было отмечено выше, длительность импульсов тока, протекающего через оптотриак, изменяется от минимального до максимального значения. Из этого следует, что ток нагрузки регулятора можно менять от 0% до 100% с шагом 10%.
Индикатором подачи напряжения на нагрузку служит светодиод HL1. При регулировке мощности на нагрузке с помощью переключателя SA1, светодиод вспыхивает редко, когда установлено 10% напряжения на нагрузке, и кратковременно погасает, когда установлено 90% напряжения. Светодиод погашен, когда переключатель SA1 установлен в положении 0%, и постоянно горит, когда переключатель SA1 установлен в положении 100%. Такого управления напряжением на нагрузке с шагом 10% для нагревательных приборов в большинстве бытовых случаев вполне достаточно. На рис.2 показаны эпюры напряжения на выводе 11 DD1, на выводе 3 DD2 и на выводе 7 DD2 (режим 30% напряжения на нагрузке).
Рис. 2
З рис.3 показаны эпюры напряжения на выводах 3 и 7 DD2, на выводе DD2 и выводе 1 U2.
Рис. 3
З рис.4 показано напряжение сети (Line) и на нижнем графике напряжение на нагрузке (RL). Из графика видно, что на нагрузку проходит только 6 периодов сетевого напряжения из 20.
Рис. 4
Конструкция и детали. Из соображения достижения минимальных размеров печатных плат и ограничения по высоте установки радиоэлементов на печатных платах, конструкция в основном выполнена на элементах для поверхностного монтажа. Узел определения момента перехода сетевого напряжения через ноль выполнен на отдельной плате. Резисторы R1, R2, R3, R4, а также конденсатор С1 типоразмера 1206, остальные резисторы типоразмера 0805. Единственный выводной элемент – это транзисторный оптрон U1. Диоды VD1-VD4 можно заменить отечественными КД102Б. Транзистор VT1 заменим ВС858С, ВС859С. Стабилитрон VD5 заменяют аналогичными с напряжением стабилизации 20…24 В. Оптрон U1 желательно использовать с буквой «С». Чертеж этой печатной платы показан на рис.5.
Рис. 5
Остальные радиоэлементы схемы, исключая мощный симистор VS1 и цепь индикации напряжения на нагрузке, расположены на второй печатной плате. На этой плате большинство радиоэлементов для поверхностного монтажа, исключая оптроны U2, U3 и элементы СЗ, R12, R13. Конденсатор С2 типоразмера 1206, остальные резисторы типоразмера 0805. Транзистор ВС848С можно заменить ВС847С или ВС849С. Вместо микросхемы CD4013 можно применить HEF4013, а вместо CD4017 – HEF4017. Конденсатор СЗ типа К73-17 на напряжение 250 В, резисторы R12, R13 типа МЛТ-0,5. Чертеж этой печатной платы показан на рис.6.
Рис. 6
Выводные элементы расположены с обратной стороны печатных проводников. Переключатель SA1 применён на 11 положений и 1 направление. Светодиод может быть любого цвета свечения, как импортный, так и отечественный типа АЛ307Б(В). Транзисторные оптроны U1 и U3 желательно применить с буквой «С», так как имеют наибольший коэффициент передачи тока. Оптотриак U2 желательно использовать типа МОС3063, так как он имеет наименьший ток включения равный 5 мА. Можно применить МОС3062 и МОС3082, уменьшив резистор R11 до 200 Ом, так как они имеют ток включения 10 мА. Для плат использован фольгированный стеклотекстолит толщиной 1,5 мм. Размеры первой печатной платы 36×36 мм, второй 45×45 мм. Эти две платы размещены на несущей конструкции из стеклотекстолита толщиной 1 мм размерами 80×110 мм. Мощный триак VS1 закреплён на радиаторе с применением теплопроводящей пасты и изоляционной пластинки из слюды. Радиатор и корпус устройства использованы такие же, как и в конструкции, описанной в [3].
Монтаж внутри корпуса выполнен проводом МГТФ-0,7. Галетный переключатель закреплён на несущей плате напротив отверстия в корпусе устройства. Питание 5 В для работы основной схемы поступает от отдельного источника питания. Для этого использована плата импульсного источника питания от зарядного устройства мобильных телефонов. Габариты её небольшие, поэтому она без проблем устанавливается в корпусе устройства. Использование источника питания, гальванически развязанного от сети, позволило выполнить регулятор в электробезопасном варианте. Так как пробой сетевого напряжения на ручку переключателя невозможен, её можно выполнить из проводящего материала.
Налаживание. Устройство, собранное из заведомо исправных элементов, в налаживании не нуждается. При желании, можно осциллографом проконтролировать импульсы на выводе 11 и 1 микросхемы CD4013, а также на выходах счётчика делителя CD4017. Чтобы убедиться в работоспособности RS-триггера, можно посмотреть импульсы на выводе 1 оптотриака МОС3062. Эта часть схемы имеет гальваническую развязку от бытовой сети, поэтому безопасна. Работа регулятора напряжения проверялась совместно с электроплиткой мощностью 1 кВт. Плавность регулировки нагрева ТЭНа плитки оставила благоприятные впечатления.
Література
- Белоусов О. Нефазоимпульсный регулятор напряжения для нагревательных приборов // Радиохобби. – 2014. – №4 – С.61-62.
- Matteini L. Детектор перехода сетевого напряжения через ноль с минимальным количеством высоковольтных компонентов // Радиолоцман. – 2011. – №12. – С.65-67.
- Белоусов О. Сетевой регулятор мощности на 555-м таймере // Радиоаматор. – 2013. – №5 – С.26-28.
Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы