Дискретный сетевой регулятор мощности на нагрузке

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

На рис.3 по­казаны эпюры напряжения на выводах 3 и 7 DD2, на выводе DD2 и выводе 1 U2.

Рис. 3

На 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.

Литература

1. Белоусов О. Нефазоимпульсный регулятор напряжения для нагревательных приборов // Ра­диохобби. — 2014. — №4 — С.61-62.
2. Matteini L. Детектор перехода сетевого напряжения через ноль с минимальным количе­ством высоковольтных компонентов // Радиолоц­ман. — 2011. — №12. — С.65-67.
3. Белоусов О. Сетевой регулятор мощности на 555-м таймере // Радиоаматор. — 2013. — №5 — С.26-28.

Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы