Применение современной схемотехники с использованием простых оригинальных решений на традиционной элементной базе и на новых малогабаритных микросхемах позволяет изготовить компактные и удобные в эксплуатации регуляторы большой мощности . В данной статье описано несколько простых конструкций регуляторов мощности нагрузки до 5 кВт, которые легко изготовить из доступных деталей.

Электронные регуляторы мощности нагрузки в настоящее время широко используются в промышленности и быту для плавного регулирования скорости вращения электродвигателей , температуры нагревательных приборов, интенсивности освещения помещений электрическими лампами, установки необходимого сварочного тока, регулировки зарядного тока аккумуляторных батарей и т.п. Раньше для этого использовались громоздкие трансформаторы и автотрансформаторы со ступенчатым или плавным переключением витков их обмоток, работающих на нагрузку. Электронные регуляторы более компактны, удобны в эксплуатации и имеют малый вес при значительно большей мощности. В основном, исполнительными элементами электронных регуляторов мощности переменного тока являются: тиристор, симистор и оптотиристор, управление последним осуществляется через встроенную в него оптопару, устраняющую гальваническую связь между схемой управления и питающей электросетью.

Регулирование мощности этими элементами основано на изменении фазы включения симистора в каждой полуволне синусоидального напряжения схемой управления. В результате этого на нагрузке форма напряжения представляет собой «обрезки» полуволн синусоиды с крутыми фронтами (рис.1). При этом форма напряжения на самом регуляторе мощности имеет вид, показанный на рис.2. Такая форма сигнала имеет широкий спектр гармоник, которые, распространяясь по электропроводке, могут создавать помехи электронным устройствам: телевизорам, компьютерам, звуковоспроизводящей аппаратуре и т.п. В связи с этим на сетевых входах таких регуляторов мощности устанавливаются RC- или RLC-фильтры.

Рис.1

На практике все выпускаемые сейчас электронные бытовые устройства и компьютеры имеют свои встроенные сетевые фильтры, благодаря которым помехи регуляторов мощности могут не влиять на работу указанных электронных устройств. Автором проверялись различные регуляторы мощности без собственных сетевых фильтров в комнатах, где установлены телевизор, ком-

Рис.2

пьютер, приемник FM и DVD-проигрыватель с УМЗЧ Воздействия помех на эту аппаратуру не наблюдалось, но это не значит, что фильтры вообще не нужны. Эти регуляторы мощности могут создавать помехи электронной аппаратуре соседей по подъезду. Практические исследования распространения помех по электропроводке в соседних комнатах с помощью осциллографа показали, что при регулировании мощности нагрузки до 2 кВт достаточно RC-фильтра, что подтверждается схемами промышленных изделий. Для регуляторов большей мощности необходимо после RC-фильтра подключить LC-фильтр,

Рис.3

Рис.4

Принципиальная схема сетевого фильтра промышленного регулятора мощности до 4 кВт типа РТ-4 УХЛ4.2 220В-1 Р30 показана на рис.3, монтаж регулятора - на рис.4. Каждая катушка содержит 90 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1,5 мм, намотанного в два слоя на каркасе, внутри которого размещен ферритовый сердечник с проницаемостью Ф600 диаметром 8 мм. Индуктивность катушки равна 0,25 мГн. Регуляторы мощности без фильтров могут использоваться в гаражах, индивидуальных подсобных помещениях, дачах и т.п., то есть вдали от соседей. Если регулятор мощности является отдельным изделием и предназначен для подключения нагрузок разной мощности, пользователям важно знать, что при одном и том же положении ручки регулятора на разных нагрузках будет разное напряжение. По этой причине перед подключением нагрузки регулятор мощности необходимо устанавливать в нулевое положение. При необходимости контролировать напряжение на нагрузке можно отдельным или встроенным вольтметром.

В Интернете и электротехнических журналах приведено множество различных схем электронных регуляторов мощности нагрузки с практически одинаковыми функциями, но есть и другие схемные решения, например регуляторы, не создающие помех . Эти регуляторы выдают пачки синусоидальных токов, длительностью которых регулируется мощность в нагрузке. Схемы таких регуляторов относительно сложны и могут применяться в каких-то особых случаях. Применение подобных регуляторов в промышленности не встречалось. Подавляющее большинство регуляторов мощности построены по принципу фазового регулирования тока в нагрузке. Основное различие - схемы управления тиристорами и симисторами. Силовая часть представляет собой практически три варианта: тиристор в диагонали диодного моста, два встречно-параллельных тиристора и симистор. Схемы управления представляют собой различные варианты на транзисторах, микросхемах, динисторах, газоразрядных приборах, однопереходных транзисторах и т.п., часть которых приведена в [ 1-6]. Такие схемы содержат много деталей, относительно сложны в изготовлении и наладке.

Регуляторы на тиристорах

Самым простым и широко используемым регулятором мощности был регулятор на тиристоре, включенном в диагональ диодного моста и с простой схемой управления (рис.5) . Принцип работы этого регулятора очень простой пока конденсатор С2 заряжается через R2 и R4, тиристор заперт, при достижении на С2 напряжения отпирания тиристор открывается и пропускает ток в нагрузку, а С2 быстро разряжается через низкое

Рис.5 регулятор мощности на тиристоре

сопротивление открытого тиристора. При переходе синусоидального напряжения сети через ноль тиристор запирается и ждет нового повышения напряжения на С2 Чем больше времени заряжается С2, тем меньше времени тиристор находится в открытом состоянии и меньше ток в нагрузке. Чем меньше величина R4, тем быстрее заряжается С2 и больше ток пропускается в нагрузку. Достоинством этой схемы является то, что независимо от параметров исправного тиристора положительные и отрицательные импульсы тока в нагрузке всегда симметричны, а также наличие только одного тиристора, которые при их появлении были дефицитом. Недостатком является наличие четырех мощных диодов, что вместе с тиристором и охладителями существенно увеличивает габариты регулятора. Более компактными и в два раза более мощными являются регуляторы мощности на включенных встречно-параллельно тиристорах. На двух тиристорах КУ202Н с простой схемой управления получается регулятор мощности нагрузки до 4 кВт, которая длительно используется автором в калорифере повышенной мощности .

Принципиальная схема такого регулятора с сетевым фильтром показана на рис.6. Недостатком таких схем является асимметрия положительных и отрицательных импульсов тока в нагрузке при разбросе параметров тиристоров.

Рис.6

Асимметрия проявляется в начальной стадии открывания тиристоров. Для нагревательных приборов и электроинструмента с коллекторными двигателями эта асимметрия практической роли не играет, а осветительные приборы при уменьшении их яркости начинают мигать, так как импульсы какой-то полярности при этом вообще исчезают. Для устранения этого недостатка необходимо подбирать тиристоры с идентичными параметрами по току открывания и току удержания тиристоров от технологического источника постоянного тока на соответствующей нагрузке или путем подбора второго тиристора по отсутствию мигания лампы при минимальном накале спирали.

Одной из разновидностей тиристоров являются оптотиристоры, для управления которыми при встречнопараллельном включении может быть применен принцип управления схемы рис.5 с разделением положительных и отрицательных управляющих импульсов с помощью диодов или динисторов.

Практическая принципиальная схема такого регулятора мощности нагрузки до 5 кВт показана на рис.7. Этот регулятор используется автором для регулировки сварочного тока и режимов работы других мощных электроустройств. Регулятор мощности снабжен стрелочным индикатором напряжения на нагрузке, что повышает удобство при его эксплуатации. На рис.8 виден стрелочный индикатор (поз.1), на котором приклеены детали его выпрямителя и фильтра. Регулятор не имеет сетевого фильтра, так как применяется либо на даче, либо в гараже. При необходимости в нем можно применить фильтр, схема которого показана на рис.3.

Рис.7, схема регулятора мощности на оптотиристорах

Рис.8

Регуляторы на симисторах

Особый интерес представляют современные схемы регуляторов мощности на симисторах. Традиционные схемы управления симисторами содержат относительно много деталей, что наглядно видно на монтажной плате промышленного регулятора, показанной на рис.4. Например, микросхема КР1167КП1Б выдает на управляющий электрод симистора управляющие импульсы, показанные на осциллограмме (рис.9). Принципиальная схема регулятора мощности с применением данной микросхемы, распространенная среди запорожских электриков, показана на рис. 10. Этот регулятор мощности без теплоотвода для VS1 может работать на нагрузку до 200 Вт

Рис.9

(рис. 11 ), а с радиатором площадью не менее 100 см 2 - до 2 кВт. Оказалось, что эту схему без потери качества можно еще упростить. Упрощенная схема регулятора с этой микросхемой показана на рис. 12. При использовании исправных деталей эти схемы не требуют наладки.

Рис.10, схема регулятора мощности на симисторах

При изготовлении регуляторов для прикроватных светильников оказалось, что некоторые симисторы и микросхемы имеют дефекты, влияющие на симметричность импульсов и, соответственно, на равномерность регулировки свечения ламп, и даже приводящие к их

Рис.11

миганию. Перепайка деталей на печатной плате является неприятной процедурой и приводит к ее порче. В связи с этим была изготовлена проверочная плата по схеме рис. 10 (без R1 и С1) с панелькой для однорядной микросхемы, которая решила указанные проблемы. К контактам 1 -2 печатной платы подпаивают регу-

Рис. 12

лировочный резистор R5. В качестве нагрузки подключают лампу накаливания. Перед установкой деталей для проверки плату в обязательном порядке отключают от электросети.

На базе схемы рис.11 изготовлен портативный технологический регулятор для различных работ. Монтаж деталей показан на фото в начале статьи (нижняя крышка снята). Схема собрана в алюминиевом корпусе, который также служит охладителем симистора, изолированным от корпуса слюдяной прокладкой и изоляционной спецшайбой. После крепления симистора необходимо в обязательном порядке проверить сопротивление изоляции между его анодом и корпусом, которое должно быть не менее 1 МОм Данный регулятор при испытании в течение двух часов нормально работал без нагрева корпуса на нагрузку мощностью 500 Вт.

В заключение следует отметить, что регуляторы мощности нагрузки, собранные по схемам рис.6 и рис. 10, испытанные длительной эксплуатацией, наиболее оптимальны в части надежности, компактности, простоты деталей, монтажа и наладки. С небольшими разбросами параметров тиристоров и асимметричностью параметров симисторов эти регуляторы могут работать на все типы нагрузок соответствующей мощности, кроме осветительных приборов. Отклонение номиналов резисторов и конденсаторов от указанных в схемах на 10...20% на работу регуляторов не влияют. Приведенные схемы управления могут работать и с более мощными тиристорами и симисторами в регуляторах мощности нагрузок до 5 кВт. Регулятор мощности по схеме рис. 12 рекомендуют применять для осветительных приборов мощностью до 100 Вт без теплоотвода. Работа этого регулятора на другие типы нагрузок не испытывалась, но предположительно он не должен быть хуже регулятора, собранного по схеме рис. 10 .

А.Н. Журенков

Литература

1. Золотарев С. Регулятор мощности // Радио. -1989. - №11.

2. Карапетьянц В. Усовершенствование регулятора мощности // Радио. - 1986. -№11.

3. Леонтьев А., Лукаш С. Регулятор напряжения с фазоимпульсным управлением // Радио -1992. - №9.

4. Бирюков С. Двухканальный симисторный регулятор // Радио. - 2000. - №2.

5 . Зорин С. Регулятор мощности // Радио. -2000 . - № 8 .

6. Журенков А. Фен с электронным регулятором мощности // Электрик. - 2009. - №1-2.

7. Журенков А. Калорифер повышенной мощности // Электрик. - 2009. - №9.

Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.

Принцип работы регулятора на симисторе

Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.

Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.

Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.

Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.

При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.

Варианты схем регулятора

Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.

Обозначения:

• Резисторы: R1- 470 кОм, R2 – 10 кОм,
• Конденсатор С1 – 0,1 мкФ х 400 В.
• Диоды: D1 – 1N4007, D2 – любой индикаторный светодиод 2,10-2,40 V 20 мА.
• Динистор DN1 – DB3.
• Симистор DN2 – КУ208Г, можно установить более мощный аналог BTA16 600.

При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.

Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.

К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.

Схема регулятора с обратной связью

Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:

1. Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
2. Отслеживать изменения напряжения на электромоторе и, в зависимости от этого, увеличивать или уменьшать «открытый» режим полупроводникового ключа.

Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 18 кОм (2 Вт); R2 – 330 кОм; R3 – 180 Ом; R4 и R5– 3,3 кОм; R6 – необходимо подбирать, как это делается будет описано ниже; R7 – 7,5 кОм; R8 – 220 кОм; R9 – 47 кОм; R10 – 100 кОм; R11 – 180 кОм; R12 – 100 кОм; R13 – 22 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 22 мкФ х 50 В; С2 – 15 нФ; С3 – 4,7 мкФ х 50 В; С4 – 150 нФ; С5 – 100 нФ; С6 – 1 мкФ х 50 В..
• Диоды D1 – 1N4007; D2 – любой индикаторный светодиод на 20 мА.
• Симистор Т1 – BTA24-800.
• Микросхема – U2010B.

Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):

• А – При перегрузке включается светодиод D2, сигнализирующий о перегрузке, после чего двигатель снижает обороты до минимальных. Для выхода из режима необходимо отключить и включить прибор.
• В – При перегрузке включается светодиод D2, мотор переводится на работу с минимальными оборотами. Для выхода из режима необходимо снять нагрузку с электродвигателя.
• С – Режим индикации перегрузки.

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R6, оно вычисляется, в зависимости от мощности, электромотора по следующей формуле: . Например, если нам необходимо управлять двигателем мощностью 1500 Вт, то расчет будет следующим: 0,25/ (1500 / 240) = 0,04 Ом.

Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.

Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.

Регулятор для индуктивной нагрузки

Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.

Существует два варианта решения проблемы:

1. Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
2. Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.

Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.

Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.

Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.

Простой регулятор мощности на симисторе своими руками

В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.

Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.