Симисторный регулятор
Компактный электронный регулятор, разрешающий медлено и в достаточно широком диапазоне изменять яркость свечения нитей ламп накаливания, мощность бытового электронагревателя либо скорость вращения вала у двигателя переменного тока, может смастерить кроме того не через чур умелый радиолюбитель. Так как в базе предлагаемого устройства лежит привычное многим по публикациям прошлых аналогов и прекрасно зарекомендовавшее себя техническое ответ: на симисторе с экономичным управлением по фазоимпульсному способу.
К тому же принципиальную электрическую схему дополняет обстоятельно созданная топология печатной платы с конкретизацией размещения элементов монтажа. Да и радиодетали в конструкции применены достаточно распространенные.
Среди преимуществ направляться также подчеркнуть применение КМОП-микросхем, разрешающих снизить ток, потребляемый совокупностью управления во всех режимах, до минимальных 1,5 мА и потому —не отключать всецело ее от сети. А замена типового тумблера малогабаритной кнопкой, располагаемой совместно со светодиодным индикатором поблизости от нагрузки, повышает удобство ее включения-выключения.
Очевидно, и это еще не идеал. Не все логические элементы микросхем оказываются задействованными в работе. Неиспользуемые входы приходится соединять с «неспециализированным» проводом.
Практически вся схема питается от источника постоянного тока, собранного на VD1-VD3, С2, С4 и С5. Причем конденсатор С2 делает роль гасящего реактивного сопротивления.
Диоды VD1, VD2 образуют двухполупериодный выпрямитель, напряжение которого поддерживается на уровне 10 В стабилитроном \/D3 и сглаживается суммарной емкостью С4 и С5. Конденсатор С4 шунтирует по большей части высокочастотные помехи, поступающие от бытовой электросети, но не подавляемые большеемкостным «электролитом» из — за характерной ему большой паразитной индуктивности.
Следующая изюминка данного источника электропитания связана конкретно с симистора-ми. Так как большая часть столь характерных полупроводниковых устройств возможно открыть (при «плюсовом» напряжении на аноде) импульсами любой полярности, подаваемыми на управляющий электрод относительно катода, а при «минусовом» Uа — лишь отрицательными.
Исходя из этого хороший вывод у разглядываемого источника питания соединен не в противном случае как с катодом симистора, и на управляющем электроде будут формироваться отрицательные импульсы при напряжении любой полярности на аноде.
Для уяснения сути нелишне, думается, напомнить о том, что фазоимпульсный способ разрешает регулировать мощность в нагрузке трансформацией той части полупериода сетевого напряжения, в течение которой симистор пропускает ток.
Значит, для верной работы устройства нужно в первую очередь выделить начало каждого полу-периода (чему соответствует мгновенное напряжение в сети, равное либо близкое нулю), а после этого в течение 10 мс (продолжительность полупериода сетевого напряжения частотой 50 Гц) организовать импульс. И чем раньше будем открывать симистор, тем громадная мощность начнёт выделяться на нагрузке.
Формирователь импульсов частотой 100 Гц собран на элементах VT1, \/Т2, R3, R4, R7. С возникновением хорошего полупериода на верхнем (по схеме) сетевом проводе к эмиттерному переходу транзистора \/Т1 выясняется приложенным напряжение «открывающей» полярности.
Полупроводниковый триод вправду делается открытым, а его Uк — родным к Uэ. Падение напряжения на резисторе R3 приближается к 1 В открытого эмиттерного перехода транзистора VТ1,исходя из этого «обратносмещенный» эмиттерный переход транзистора \/Т2 не пробивается.
При отрицательном полупериоде полупроводниковые триоды изменяются ролями.
Резистор R4 ограничивает ток через базы транзисторов.
А R7,являясь коллекторной нагрузкой \/Т1 и VT2, задает нулевой потенциал на входе 1 логического элемента DD1.1 (при закрытых полупроводниковых триодах).
Принципиальная электрическая схема самодельного устройства (знак « 1 »применен для условного обозначения «неспециализированного» провода, заземлять что в предлагаемом техническом ответе не разрещаеться).
Топология печатной платы (а) и размещение подробностей (б) при монтаже.
В моменты, в то время, когда Uсети близко к нулю, ток через вышеназванные транзисторы не течет, поскольку падение напряжения на резисторе R3 не хватает для их отпирания.
Значит, Uк оказывается равным напряжению на минусовом выводе источника питания. В итоге приобретают маленькие отрицательные импульсы, соответствующие началу каждого полупериода сети.
Во подключенном состоянии на входе 2 DD1.1 большой уровень напряжения.
Исходя из этого отрицательные импульсы, поступающие на первый вход, инвертируются логическим элементом и через эмиттерный повторитель (транзистор \/Т5) заряжают конденсатор С8 фактически до напряжения источника питания.
Разряд —через цепочку R8R9 и \/Т4.
При понижении напряжения до порогового элементы DD1.2, DD1.3 переключаются. «Спад», поступая с элемента DD1.3, дифференцируется цепью С9R12 и уже в виде импульса длительностью около 12 мкс включает (через инвертор DD1.4 и транзистор \/Т6, трудящийся как усилитель тока) симистор VS1.
Переменным резистором R9 регулируют продолжительность разряда конденсатора С8, соответственно, изменяют момент включения симистора и действенное напряжение на нагрузке.
Емкость конденсатора С9 определяет саму продолжительность импульса открывания симистора, резистор R12 задает потенциал на входе логического элемента DD1.4. Что касается стабилитрона VD6, то он снабжает надежный запуск устройства.
На инверторе DD2.1 и триггере DD3.1 собран узел включения — выключения регулятора. От этого же узла идут управляющие сигналы на другие части схемы. Транзистор VT4 помогает для плавного включения нагрузки, а элементы DD2.2, DD2.3 совместно с VT7 и VD5 снабжают подсветку кнопки.
При начальном включении устройства либо по окончании пропадания напряжения сети цепочка C3R2 формирует хороший импульс на входе R логического элемента DD3.1, устанавливающий его в нулевое состояние, при котором нагрузка отключена. Делая функции Т-триггера, DD3.1 чутко реагирует на хорошие перепады напряжения на входе С. При каждом появлении для того чтобы перепада этот логический элемент изменяет собственный состояние на противоположное.
Цепочка R1C1 подавляет дребезг контактов, а входящий в ее состав резистор R1 задает необходимый потенциал на входе инвертора DD2.1. Нажатие же на любую из кнопок SB приводит к положительному перепаду напряжения на выходе данного элемента, переключая триггер DD3 в единичное состояние.
Получающийся сигнал большого уровня уходит на DD1.1, разрешая его работу. Наряду с этим создаются благоприятные условия для заряда конденсатора С6 до 10 В через резистор R6. Сопротивление канала транзистора VT4 медлено значительно уменьшается и через 5—7 с достигает собственного минимума.
Но канал транзистора VT4 включен последовательно с резистором R9 в цепь разряда конденсатора С8, и с увеличением напряжения на затворе VT4 мощность в нагрузке будет медлено возрастать до отметки, установленного резистором R9.
Резистор R10 формирует минимальное отрицательное смещение на затворе для полного запирания регулятора при нулевом сопротивлении резистора R9.
Необходимость для того чтобы напряжения смещения обусловлена тем, что по окончании включения устройства не должно оставаться времени на происхождение нештатной обстановке, в то время, когда нагрузка все еще обесточена, а конденсатор С7 делает по переменному напряжению роль шунта для резистора R10, кроме его из цепи разряда названного выше С8.
Низкий уровень с инверсного выхода триггера закрывает VT3 и запрещает переключение инверторовDD2.2, DD2.3.
На без сомнений транзистора VT7 сохраняется большой уровень, и светодиод VD5 не горит.
Следующее нажатие на любую из кнопок SB опять переключает триггер в нулевое состояние.
Логический «0» с выхода 13 триггера запретит переключение элемента DD1.1, на его выходе сформируется большой уровень. Следовательно, транзистор VT6 будет неизменно открыт, конденсатор С8 заряжен, а сама нагрузка (к примеру, электролампа) обесточена.
Логическая же единица, поступая с выхода 12 триггера через токоограничительный резистор R6, откроет транзистор VT3, через что скоро разрядится конденсатор С6, и это обеспечит подготовку устройства к новому включению.
Большой уровень на входах 13 и 9 логических элементов DD2.2, DD2.3 разрешит им пропускать отрицательные импульсы с транзисторов VT1, VT2.
Эти импульсы открывают ненадолго транзистор VT7, и светодиод загорается. Резистор R13 ограничивает средний ток через VD5 (дабы не перегружать источник питания, в противном случае выдаваемое им напряжение начнет падать).
Фактически целый самодельный регулятор (за исключением разъемов, плавкого предохранителя, симистора и светодиода) смонтирован на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
Транзисторы VT1, VT2, VT7 смогут быть маломощными кремниевыми, но в обязательном порядке структуры р-п-р, с коэффициентом передачи по току более 100.
Практически те же требования и к выбору VT3, VT6, не считая самой структуры. Она тут п-p-n. В качестве VT5 приемлем полупроводниковый триод серии КТ201 (с любым буквенным индексом в конце).
Возможно применять и кремниевые маломощные транзисторы структуры n-p-п, обезопасив такую замену включением VD4 (на рисунке это выделено штриховым контуром). Диод защитит эмиттерный переход от пробоя обратным напряжением, которое появляется по окончании закрывания транзистора VT5.
На месте VT4 одинаково прекрасно трудятся все полевые транзисторы серии КП305.
Не весьма строги критерии и при подборе вторых радиодеталей. Стабилитрон VT3 не есть тут исключением — подойдет любой с напряжением стабилизации 10 В. Диоды из серий КД509, КД510, КД522.
Конденсаторы: С5 типа К50 — 24, К50 — 29; С6, С7 — К53; СЗ — любой оксидный; С4, С9 — кремниевые; С1, С2, С8 — металлопленочные типов К70 — К78 (причем у С2 расчетное рабочее напряжение — не меньше 250 В). Переменный резистор — любого типа, его корпус в целях экранирования соединяют с «плюсовым» проводом цепи питания.
Постоянные резисторы — типа С2 — 33Н, МЛТ. Что касается плавкого предохранителя FU1, то он, конечно же, обязан соответствовать току конкретной нагрузки.
Отладка устройства сводится к подбору резистора R10 по следующей методике (излагается конспективно).
Вывод 2 элемента DD1.1 временно отсоединяют от цепи и подключают к выводу 1. Установив вместо R10 переменный резистор номиналом 100 кОм, уменьшают его сопротивление до нуля. Включают симисторный регулятор в минуту и сеть-вторую ожидают, пока через «малоемкостный» С2 не зарядится до номинального напряжения 10В электролитический конденсатор С5.
Осуществляя контроль по осциллографу форму импульсов в нагрузке, увеличивают сопротивление переменного резистора — замены R10 , пока симистор постоянно открывается . После этого пара раз включают-выключают нагрузку, получая имеющимися органами регулировки, дабы транзистор \/Т4, срабатывая подобающим образом, надежно закрывал VS1.
Затем переменный резистор заменяют постоянным и восстанавливают соединение вывода 2 DD1.1 в соответствии с схеме.
Опыт говорит: подбором и установкой резистора R11 возможно достигнуть того, что большому сопротивлению резистора R9, трудящегося как реостат, будет соответствовать нулевое напряжение на нагрузке.
А дабы при полном включении нагрузки добиться минимизации падения напряжения на симисторе, его нужно открывать по окончании начала полупериода как возможно стремительнее. Значит, формирователь импульсов перехода сетевого напряжения через нуль обязан производить достаточно маленькие импульсы.
Для их минимизации направляться увеличивать сопротивление резистора R3 и подбирать R7. Идти же по пути понижения номинала R4 нежелательно — это энергорасточительство.
И еще.
При практическом использовании и налаживании симисторного регулятора нельзя забывать, что с подключением устройства к сети все, среди них и переменный резистор, оказывается под ее высоким напряжением. А с переменным током 220 В не шутят, даже в том случае, если корпус электронной самоделки выполнен из добротного изоляционного материала.
А. РУДЕНКО, г. Харьков
