В данной статье описывается вариант модернизации и оптимизации устройства [1]. Предварительно читателям было бы полезно ознакомиться с материалами исследований и выводами, сделанными в [2].
В материалах своей статьи [2] автор экспериментально подтвердил тот факт, что симисторы крайне неустойчиво работают как коммутаторы нагрузки, имеющей индуктивный характер. Практически добиться положительных результатов очень сложно, а в подавляющем большинстве случаев — невозможно. При этом симисторы отлично справляются с коммутацией на переменном токе активной нагрузки, например, ламп накаливания.
Другим заключением автора публикации [2] было то, что наиболее «беспроблемным» вариантом для коммутации мощной индуктивной нагрузки остается использование электромеханических реле.
Со сложностью коммутации индуктивной нагрузки симисторами пришлось столкнуться на практике при экспериментах со схемой автомата кратковременного включения лестничного освещения [1] (рис.1). Эта схема действительно работала, но одна ее особенность вызывала «чувство неудовлетворенности инженера» — трансформатор питания Т1 и элементы управляющей симистором схемы являлись потребителями для питающей сети 230 В / 50 Гц 24 часа в сутки, что неэкономно, особенно с свете постоянно растущих тарифов на электроэнергию.
Рис. 1
Очень заманчивым было бы подавать напряжение на трансформатор Т1 только на время, когда требуется, чтобы лампы накаливания в освещаемом подъезде дома светились, а с их погасанием отключать сетевое питание от трансформатора схемы управления. Для этого первичная обмотка трансформатора Т1 во время экспериментов была включена параллельно лампам накаливания нагрузки схемы. Кнопка SВ1 теперь замыкает выводы А1-А2 силового симистора VS1. При этом не только начинали светиться лампы накаливания нагрузки устройства, но и подавалось питание (230 В) на первичную обмотку трансформатора Т1, и далее выпрямленное напряжение (порядка 20 В) поступало на схему управления. Конденсаторы фильтра блока питания заряжались и обеспечивали поддержание схемы таймера в рабочем состоянии, а симистор VS1 оставался в проводящем состоянии и после отпускании кнопки SВ1.
Пуск таймера происходил, но его отключение после отработки временного интервала стало проблематичным. Из-за индуктивной составляющей нагрузки симистора VS1, обусловленной значительной индуктивностью обмоток трансформатора Т1, переменные ток и напряжение в цепи симистора приобретали значительные фазовые сдвиги. После отработки временного интервала таймером лампы накаливания (нагрузки) вместо отключения начинали лишь периодически мигать.
Первоначально создавалось впечатление, что таймер вместо отключения лишь перезапускается, но это было не так. Достаточно было обратить внимание на светодиод индикации состояния таймера НL1 — после отработки выдержки времени таймером светодиод погасал. Значит, силовой симистор VS1 «не справляется» с отключением индуктивной нагрузки (трансформатора Т1).
В доработанной схеме рис.2 имеется маломощное реле Р1. В исходном состоянии его контакты 1Р1 замкнуты и первичная обмотка трансформатора Т1 включена параллельно лампе накаливания устройства ЕL1. Питание лампы ЕL1 и входное напряжение трансформатора Т1 коммутирует силовой симистор VS1. В исходном состоянии схемы симистор находится в выключенном состоянии. При этом не только не горит лампа ЕL1, но и практически нет напряжения на первичной обмотке трансформатора Т1.
Рис. 2
Выключенное состояние симистора VS1 обусловлено тем, что в этом режиме отсутствует питание излучающего светодиода оптопары U1. Соответственно, находится в непроводящем состоянии ее выходной маломощный оптосимистор.
При нажатии кнопки включения освещения SB1 выходной симистор оптопары U1 замыкается контактами кнопки. Это приводит к тому, что не только зажигается лампа накаливания EL1, но и подается сетевое напряжение на первичную обмотку трансформатора Т1. Появляется напряжение на вторичной обмотке трансформатора, заряжаются конденсаторы фильтра С1, С2 мостового выпрямителя VD1-VD4. Микросхема DA1 стабилизирует напряжение на уровне 12 В, заряжаются конденсаторы С3, С4.
Если теперь отпустить кнопку SB1, то оптосимистор U1 окажется во включенном состоянии, что гарантирует соединение вывода G управляющий электрод силового симистора VS1 через резистор R12 с его вторым анодом А2. Симистор переходит во включенное состояние (до этого он был зашунтирован кнопкой SB1) и сохраняет его до момента переключения компаратора DA2.
При работе компаратора DA2 (в течение заданного времени свечения ламп накаливания) на его выходе (вывод 6) имеется высокий потенциал. Соответственно, будет заперт транзистор VT3 и обесточено реле Р1.
После отработки заданного таймером времени потенциал выхода 6 компаратора DA2 становится низким. Через резистор R10 и стабилитрон VD8 заряжается конденсатор С7. Через резистор R11 будет протекать базовый ток транзистора VT3, открывающий его, срабатывает реле Р1. Нормально замкнутые контакты 1Р1 реле размыкаются. Питание первичной обмотки трансформатора Т1 прекращается. За счет энергии конденсатора С7 и остаточного напряжения конденсаторов С2, С4 непродолжительное время реле Р1 остается во включенном состоянии, но этого времени оказывается достаточно для запирания силового симистора VS1. Он переходит в выключенное состояние, и питание с первичной обмотки трансформатора Т1 и ламп Е1 окончательно снимается.
Эксперимент показал, что при уменьшении емкости конденсатора С7 до 22 мкФ отключение симистора VS1 в этой схеме становится неустойчивым — реле Р1 начинает «подрабатывать», а значительное увеличение емкости конденсаторов С7, С1 и С3 (более указанных на схеме номиналов) устойчивой работы схемы не нарушает.
Диоды VD6, VD9 способствуют быстрому разряду «пускового» конденсатора С5 после отработки таймером заданной выдержки и отключения лампы накаливания ЕL1, подготавливая схему к следующему циклу работы.
Цепочка С8R14 является стандартной снабберной для силового симистора VS1. Ее применение повышает устойчивость работы симистора при достаточно большой индуктивности первичной обмотки трансформатора Т1 в цепи нагрузки симистора.
Разводка печатной платы, и расположение электронных компонентов на ней показаны на рис.3.
Рис. 3
Для питания устройства использовался сетевой трансформатор от «польского» блока питания антенного телевизионного усилителя. Он легко монтируется на печатной плате.
Настройка устройства состоит в задании необходимого времени свечения лампы накаливания ЕL1 за счет регулировки положения движка подстроечного резистора Р1. При закороченном сопротивлении Р1 выдержка времени составляла около 4 мин 50 с.
Интересной особенностью работы макета автомата лестничного освещения было то, что после отработки заданной выдержки времени таймером и срабатывания реле Р1 лампа ЕL1 погасала не сразу же, а после однократного кратковременного мигания. Эта особенность работы схемы позволяет визуально предупредить окружающих, что таймер отработал полный цикл перед выключением.
Анализ вышеописанной схемы позволяет сделать заключение, что она является частым случаем симисторной коммутации комплексной нагрузки. Лампы накаливания являются активной нагрузкой симистора, а трансформатор — индуктивной.
При этом следует учитывать, что индуктивный ток первичной обмотки трансформатора Т1 был невелик из-за относительно небольшой мощности этого трансформатора. Это позволило применить в схеме слаботочное вспомогательное реле (Р1). Ток активной нагрузки симистора (ламп накаливания), естественно, был во много раз больше. Собственно, для его коммутации и использовался симистор.
Предупреждение
Еще раз напомним, что указанные на схемах симисторы типа BT136-600E по ТУ имеют максимальный рабочий ток 4 А. При необходимости обеспечения большего тока нагрузки для ламп накаливания необходимо использовать более мощные симисторы. Кроме того, необходимо учесть, что ток ламп накаливания, в момент начала их свечения, в несколько раз превышает их номинальный рабочий ток, что надо учитывать при выборе типа симистора. Любые симисторы в данном устройстве надо использовать с радиаторами охлаждения.
Литература
- Яковлев Евгений. Автомат кратковременного включения лестничного освещения // Электрик. — 2011. — №11. — С.54-55.
- Зызюк Алексей. О коммутаторах на популярных оптронах и симисторах // Электрик. — 2011.-№11.-0.48-50.
Автор: Андрей Николаев, г. Запорожье
Источник: Радиоаматор №1/2017
