Симисторные регуляторы мощности

В радиолюбительской литературе можно найти немало описаний различных регуляторов мощности и автоматических устройств, использующих в качестве выходного мощного ключа тринистор. Тринистор в цепи переменного тока неудобен тем, что требует питания через выпрямительный мост, и при большой мощности диоды моста должны быть установлены на радиаторы. Более удобен симистор.
Симистор, как и тринистор, имеет три электрода. Его основное отличие - возможность коммутации переменного тока. Ток через симистор может протекать в любом направлении - как от анода к катоду (как в тринисторе), так и в противоположную сторону.
Симисторы серии КУ208 при положительном напряжении на аноде могут включаться импульсами любой полярности, подаваемыми на управляющий электрод относительно катода, а при отрицательном напряжении на аноде - импульсами только отрицательной полярности.
Использование симисторов в регуляторах мощности и различных автоматических коммутаторах затруднено из-за необходимости обеспечения сравнительно большого тока управляющего электрода - 150 мА для симисторов серии КУ208. Управление симистором постоянным током требует большой мощности, а при импульсном управлении необходим формирователь, обеспечивающий короткие импульсы в момент прохождения сетевого напряжения через "нуль" и имеющий общий вывод с одним из сетевых проводов.
В описываемом далее устройстве регулирование мощности в нагрузке осуществляется изменением числа полупериодов сетевого напряжения, подаваемого на нее в течение некоторого интервала времени, поэтому регулятор можно использовать для работы лишь с такими нагрузками, как, например, электроплитка, камин, паяльник а Другими подобными электронагревательными приборами.
Включение симистора происходит вблизи момента перехода сетевого напряжения через "нуль", что снижает уровень помех по

рис1

сравнению с регуляторами, в которых использован фазоимпульсный метод регулирования.
Принципиальная схема регулятора приведена на рис. 1. Диоды VD1 - VD2, стабилитрон VD3, конденсаторы С1 - СЗ и резистор R1 образуют источник питания устройства напряжением около 10 В (при максимальном выходном токе 18...20 мА). Оригинальным является формирователь импульсов частотой 100 Гц, выполненный на транзисторах VT1, VT2 и резисторах R2 - R4. При положительном полупериоде сетевого напряжения на верхнем (по схеме) сетевом проводе транзистор VT1, включенный по схеме с общим эмиттером, открыт и насыщен - напряжение на его коллекторе близко к эмиттерному (транзистор VT2 закрыт). При отрицательном полупе риоде закрыт транзистор VT1, но открыт и насыщен транзистор VT2, включенный по схеме с общей базой, и напряжение на его коллекторе имеет тот же знак и амплитуду.
Лишь в моменты, когда сетевое напряжение по абсолютному значению меньше 40...50 В, оба транзистора закрыты и напряжение на их коллекторе близко к напряжению на выводе 7 микросхемы DD1. При этом разрешена работа генератора импульсов на элементах DD1.3, DD1.4. Импульсы частотой около 5 кГц с его выхода дифференцируются цепью C6R8, усиливаются транзистором VT3 и включают симистор VS1.
Однако работой этого генератора управляет и генератор, собранный на элементах DD1.1 и DD1.2. Частота формируемых им импульсов - около 2 Гц, а скважность можно регулировать переменным резистором R5 от 1,01 до 100. В одном крайнем положении движка этого резистора на нагрузке выделяется почти полная мощность, в другом - нагрузка обесточена.
При напряжении низкого уровня на выходе элемента DD1.2 разрешена работа генератора на элементах DD1.3 и DD1.4, а при высоком запрещена. В результате при перемещении движка резистора R5 из одного крайнего положения в другое изменяется соотношение числа полупериодов напряжения сети, подаваемых и

рис2

не подаваемых на нагрузку, подключенную к разъему XI. А так как одному периоду работы управляющего генератора соответствует около 50 полупериодов сетевого напряжения, дискретность регулирования равна примерно 2 %.
Все элементы этого варианта регулятора, кроме симистора VS1, смонтированы на печатной плате размерами 62,5 х 50 мм (рис. 2). Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-16 (С1), К50-6 (СЗ), КМ-6 (остальные), переменный резистор (R5) СПЗ-4аМ или СПЗ-26М. Диоды VD1, VD2, VD4 и VD5 -маломощные кремниевые, стабилитрон VD3 - на напряжение стабилизации 10...12 В. Микросхема К561ЛЕ5 заменима на К176ЛЕ5 или КР1561ЛЕ5. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-п-р, транзистор VT3 - средней или большой мощности структуры n-р-n с допустимым коллекторным током 150 мА.
Конденсатор К73-16 (С1) можно заменить на любой металлопленочный емкостью 0,33...0,68 мкФ на номинальное напряжение не Менее 250 В или на бумажный или металлобумажный такой же емкости на номинальное напряжение не менее 400 В. Корпус Резистора R5 должен быть соединен с плюсовым проводником цепи питания микросхемы, что необходимо для его экранирования. Симистор КУ208Г (или КУ208В) установлен на штыревом теплоотводе размерами 80 х 60 х 20 мм.
Предварительно симистор целесообразно проверить на значение тока спрямления, включив его по схеме, приведенной на рис. 3.

рис3

Напряжение питания анодной цепи симистора должно соответствовать номинальному для лампы накаливания EL1, рассчитанной на рабочий ток не менее 150 мА. Плавно увеличивая ток управляющего электрода симистора (резистором R1), измеряют его значение непосредственно перед включением
лампы. Паспортное значение тока спрямления при комнатной температуре равно 150 мА. Для регулятора следует подобрать симистор с током спрямления не более 70 мА (из проверенных автором 15 симисторов лишь один не соответствовал этому требованию).
Налаживают регулятор следующим образом. Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220... 330 Ом и подключают устройство вместо сети к внешнему источнику постоянного тока напряжением 12... 15 В. Его подбирают таким, чтобы потребляемый ток был около 20 мА. Установив движок резистора R5 в среднее положение, с помощью осциллографа или головных телефонов (что очень удобно) контролируют на резисторе R9 наличие пачек импульсов частотой около 5 кГц и периодом повторения пачек близким к 0,5 с. При перемещении движка переменного резистора длительность пачек должна изменяться практически от нуля до непрерывной последовательности импульсов.
Затем снимают дополнительный резистор, к разъему XI подключают настольную лампу (установка симистора на теплоотвод не обязательна) и на регулятор подают напряжение сети. При перемещении движка резистора R5 лампа должна вспыхивать с частотой около 2 Гц, а длительность ее вспышек - изменяться от нуля до непрерывного свечения.
Устройство можно упростить, если в нем использовать микросхему К561ТЛ1 - четыре триггера Шмитта, каждый из которых выполняет функцию элемента 2И-НЕ. Схема соответствующей части такого варианта устройства показана на рис. 4,а, а фрагмент рисунка монтажной платы, в остальном аналогичной предыдущей, - на рис. 4,6. Источник питания и формирователь импульсов на транзисторах VT1, VT2 остаются без изменений.
Последовательность прямоугольных импульсов низкого уровня, соответствующих моментам нулевого напряжения сети, поступает на нижний по схеме вход

рис4

элемента DD1.4 через дифференцирующую цепь C5R6. Входные диоды элемента подавляют отрицательные продифференцированные импульсы, а положительные проходят на базу транзистора VT3 - усилителя тока - и далее на управляющий
электрод симистора VS1. Длительность управляющих импульсов -около 12 мкс. Они открывают симистор VS1 в начале полупериода.
Прохождение импульсов через элемент DD1.4 разрешает выходной сигнал генератора с регулируемой скважностью, собранный на элементе DD1.1.
На рис. 5 приведены схема варианта регулятора с фазоимпульсным управлением симистором и чертеж соответствующего ему участка монтажной платы. Такой регулятор хоть и создает помехи радиоприему, зато позволяет регулировать напряжение питания таких нагрузок, как, например, лампа накаливания, электродвигатель переменного тока.
При прохождении сетевого напряжения через "нуль" импульс отрицательной полярности с выхода формирователя на транзисторах VT1 и VT2 (на схеме рис. 5,а не показаны) инвертируется элементом DD1.1 и через эмиттерный повторитель на транзисторе VT3 заряжает конденсатор С4 практически до напряжения источника питания. Разряжается конденсатор через резисторы R5-R7. При снижении напряжения на нем до порогового элементы DD1.2 и DD1.3 переключаются, спад импульса с выхода элемента DD1.3 Дифференцируется цепью C5R8 и в виде импульса длительностью около 12 мкс через инвертор DD1.4 и транзистор VT4 включает симистор VS1.
Переменным резистором R6 можно регулировать длительность разрядки конденсатора С4, изменять момент включения симистора и эффективное напряжение на нагрузке. Резистор R5 исключает перегрузку транзистора VT3. Подбором резистора R7 можно добиться, чтобы максимальному сопротивлению резистора R6, работающего как реостат, соответствовало нулевое напряжение на нагрузке.

рис5
Конденсатор С4 должен быть бумажным или пленочным; автор использовал К73-17 на напряжение 250 В. Транзистор VT3 должен допускать обратное напряжение на эмиттерном переходе не менее напряжения стабилизации стабилитрона VD3. Пригодны транзисторы серии КТ201 с буквенными индексами А, Б, AM, БМ, а при использовании в источнике питания стабилитрона VD3 на напряжение стабилизации 10 В - с индексами В-Д, ВМ-ДМ. Можно также использовать любой кремниевый маломощный транзистор структуры п-р-п, включив последовательно с его эмиттерным переходом кремниевый маломощный диод.
Вместо переменного резистора R6 можно установить, например, биполярный или полевой транзистор, фотодиод или фоторезистор оптопары. В таком случае регулятор может быть использован в автоматических устройствах типа выключателя с плавным включением лампы накаливания или мощного коллекторного электродвигателя.
Во всех описанных здесь вариантах устройств отсутствуют резисторы, ограничивающие выходной ток элемента, управляющего выходным транзистором, и ток управляющего электрода симистора. Из-за малой длительности импульсов этого тока такое включение совершенно безопасно для радиоэлементов.
При налаживании любого варианта регулятора и его практическом использовании следует помнить, что все его элементы, включая вал переменного резистора, находятся под напряжением сети. Поэтому регулятор должен быть помещен в корпус из изоляционного материала, а переменный резистор - снабжен ручкой из изоляционного материала с закрытым стопорным винтом.

рис7

Описанные симисторные регуляторы мощности при работе с мощной нагрузкой вызывают мигание осветительных ламп, включенных в ту же сеть. Это присходит из-за периодического включения и выключения нагрузки с частотой порядка одного герца. Особенно это заметно, если одновременно через такие регуляторы питается несколько мощных потребителей энергии. Минимальное мигание ламп может обеспечить описываемый далее регулятор.
Рассмотрим, что происходит, если два описанных выше устро
йства одновременно регулируют мощность в нагрузках, например по 1 кВт каждая. На диаграмме 1 рис. 6 показана зависимость от времени для мощности, по
требляемой одной нагрузкой, на диаграмме 2 - другой, на диаграмме 3 - суммарная мощность. Видно, что в различные моменты времени от сети может потребляться мощность 2 кВт, 1 кВт или не потребляться никакая. Соответственно, лампы накаливания, включенные в ту же сеть, будут мигать с тремя уровнями яркости. Если же оба регулятора будут работать синхронно и противофазно, уровней потребления мощности будет только два - или 1 кВт и 2 кВт (рис. 7,а), или 1 кВт и отсутствие потребления (рис. 7,6). Соответственно, у ламп накаливания будет только два уровня яркости при мигании, что менее заметно.
Схема регулятора приведена на рис. 8. На схеме не показаны узел питания регулятора и цепи формирования импульсов в моменты перехода сетевого напряжения через нуль, полностью повторяющие предыдущие конструкции. Триггер Шмитта на элементах DD1.1 и DD1.2 и резисторе R5 формирует крутые фронты импульсов. Положительный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C5R19 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на выводы 2 и 5 элементов DD1.3HDD1.4.
Прохождением импульсов через них управляют генератор треугольного напряжения на элементах DD2.1 и DD2.2 и компараторы, РОЛЬ которых выполняют DD2.3 и DD2.4. Первые два элемента микросхемы DD2 образуют традиционный функциональный генератор, в котором элемент DD2.1 и резисторы R6 и R8 - триггер Шмитта, a DD2.2, резистор R7 и конденсатор С4 - интегратор. Напряжение треугольной формы с частотой около 1,5 Гц с выхода элемента DD2.2 поступает на два сумматора на резисторах R13 - R16 и с них - на компараторы DD2.3 и DD2.4. В среднем положении движков резисторов R11 и R12 треугольное напряжение на входах компараторов остается симметричным относительно порога их переключения (рис. 9,а). На выходах компараторов формируются сигналы, по форме близкие к меандру. Поскольку вход 1 DD2.3 подключен к плюсовому выводу источника питания, этот элемент работает как компаратор с инверсным выходом, элемент DD2.4, у которого вход 5 соединен с общим проводом - с прямым. В результате их выходные сигналы противофазны.
Конденсаторы С6 и С7 служат для устранения генерации компараторов DD2.3 и DD2.4.
При перемещении движков резисторов R9 и R12 треугольное напряжение смещается относительно порога переключения компараторов (рис. 9,6) и скважность импульсов на их выходах меняется. При этом сигналы всегда остаются противофазными, как это показано на рис. 7. Компараторы, как уже указывалось выше, управляют прохождением коротких импульсов в начале каждого полупериода на управляющие электроды симисторов, чем и достигается регулирование средней мощности в нагрузках.
Все элементы регулятора, кроме симисторов VS1, VS2, выходных гнезд XI, Х2 и выключателя SA1, смонтированы на печатной плате
размерами 50х120 мм (рис. 50). Плата рассчитана на установку резисторов МЛТ, конденсаторов К73-16 (Cl), K50-6 (СЗ), КМ-5 (остальные). Переменные резисторы R11 и R12 - СПЗ-4аМ или СПЗ-46М. Диоды VD1, VD2 - любые кремниевые

рис8

импульсные или выпрямительные, стабилитрон VD3 - на напряжение стабилизации 10...12 В. Микросхема К561ЛА7 заменима на К176ЛА7 или КР1561ЛА7, микросхему К561ЛП2 никакими другими заменять не следует, поскольку К176ЛП2 генерирует на высокой частоте при ее включении в качестве интегратора; по-видимому, также должна вести себя и микросхема КР1561ЛП14. Транзисторы VT1 и VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры р-п-р, транзисторы VT3 и VT4 - средней или большой мощности той же структуры с допустимым коллекторным током 150 мА.
Светодиоды можно использовать любые видимого свечения с максимальной светоотдачей. Следует обратить внимание на их установку - светодиоды следует максимально вынести за пределы платы, и направлены они должны быть в ту же сторону, что и ось переменного резистора.
Корпуса резисторов R11 и R12 соединены с минусовым проводником цепи питания микросхем, что необходимо для их экрани

рис10

рования. Симисторы КУ208Г (или КУ208В) установлены на ребристых теплоотводах размерами 25 х 50 х 60 мм.
Плата, теплоотводы с симисторами, две пары гнезд и выключатель SA1 типа ТВ 1-2 установлены в пластмассовую коробку размерами 70 х 95 х 150 мм. При этом плата расположена максимально близко к нижней стенке коробки, теплоотводы - к верхней (это стенки среднего размера). В них просверлено по 42 отверстия диаметром 6 мм с шагом 10 мм. Светодиоды и оси переменных резисторов выведены через отверстия в передней стенке коробки. Ось и крепежные винты пластмассовых ручек переменных резисторов не должны быть доступны для случайного прикосновения.
Налаживают и градуируют регулятор без симисторов. Выводы 2 и 5 микросхемы DD1 соединяют перемычкой с выводом 14. Параллельно конденсатору С1 подсоединяют резистор сопротивлением 220... 330 Ом и подключают регулятор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12... 15 В, верхний по схеме провод к плюсу источника. Напряжение устанавливают такой величины, чтобы потребляемый ток составил 18...20 мА.
Вращая оси переменных резисторов R11 и R12, убеждаются, что светодиоды HL1 и HL2 мигают с частотой около 1,5 Гц с меняющейся скважностью. При малой длительности вспышек светодиодов должно быть видно, что они включаются неодновременно, в противофазе. Светодиод HL2 включается и выключается довольно плавно, это не является признаком какой-либо неисправности.
Заменяют конденсатор С4 на аналогичный емкостью 0,01 мкФ, при этом частота треугольных колебаний возрастет в 100 раз. Подключив к резистору R21 вольтметр постоянного напряжения (он будет измерять среднее напряжение импульсной последовательности регулируемой скважности), убеждаются, что при вращении оси резистора R12 его показания меняются от нуля до 9 В (приблизительно). Подбирая резистор R10, добиваются, чтобы указанный диапазон регулировки осуществлялся при возможно большем угле вращения оси резистора R12. На шкале переменного резистора наносят метки, соответствующие границам регулирования напряжения, а также 20, 40, 60 и 80% от максимальной величины, индицируемой вольтметром. Метки можно поставить и чаще, например, через 5 или 10%. По ним при эксплуатации можно будет устанавливать необходимый уровень мощности в нагрузке.
Подключив вольтметр параллельно резистору R20, аналогично подбирают резистор R9 и градуируют шкалу переменного резистора R11.
Далее следует восстановить схему регулятора и собрать его полностью. В качестве нагрузок подключить две настольные лампы, включить регулятор в сеть. При вращении движков переменных резисторов лампы должны мигать с частотой около 1,5 Гц. Длительность вспышек ламп должна меняться от нуля до непрерывного свечения ламп. При малой длительности вспышек должно быть заметно, что лампы включаются противофазно.
Регулятор устанавливают в вертикальное положение так, чтобы вентиляционные отверстия ничем не закрывались, например, на стену комнаты.
Если не обязательна плавная регулировка мощности, можно за счет перехода к чисто цифровому управлению исключить операцию по налаживанию регулятора.
Схема регулятора с дискретной регулировкой мощности приведена на рис. 11. Отрицательный перепад, соответствующий началу полупериода, дифференцируется цепочкой C4R5, инвертируется элементом DD1.2 и в виде короткого импульса положительной полярности подается на выводы 2 и 5 элементов DD1.3 и DD1.4 и на вход СР счетчика с дешифратором DD2.
Выходные сигналы счетчика DD2 управляют двумя триггерами микросхемы DD3. Если подвижные контакты переключателей SA2 и SA3 не находятся в крайних положениях, при установке счетчика DD2 в состояние 0 фронтом импульса на выходе 0 счетчика (вывод 2) оба триггера устанавливаются в состояние 1, поскольку на их входах D высокий логический уровень. Момент перехода триггеров в

рис11

состояние 0 определяется положением подвижных контактов переключателей SA2 и SA3. Если, например, переключатель SA2 установлен в положение "1/8", то в момент появления на выходе 1счетчика DD2 (вывод 1) высокого логического уровня триггер DD3.1 установится в 0 (см. соответствующую диаграмму на рис. 12).

рис12

Выходной сигнал триггера DD3.1 управляет прохождением импульсов, соответствующих моменту начала полупериода, через элемент И-НЕ DD1.3. Поэтому через этот элемент пройдет только один
из каждых восьми импульсов (импульс 1 на верхней диаграмме рис. 12). Эти импульсы включают первую из нагрузок, и, соответственно, к нагрузке будет подведен только один из каждых восьми полупериодов сетевого напряжения, на ней выделится 1/8 максимальной мощности. Переводя подвижный контакт переключателя в другие положения, можно добиться, чтобы на нагрузке выделялась указанная около переключателя в долях от максимальной мощность. На нижней диаграмме рис. 12 приведена форма сигнала на прямом выходе триггера DD3.1 при установке переключателя SA2 в положение "3/4". В этом случае через элемент DD1.3 на управляющий электрод симистора VS1 в каждом цикле работы счетчика DD2 пройдут шесть импульсов из восьми (импульсы 1 - 6) и на нагрузке выделится мощность, равная 3/4 от максимальной.
Если подвижный контакт переключателя SA2 установлен в верхнее по схеме положение ("О"), на вход R триггера DD3.1 постоянно подан высокий логический уровень, триггер находится в состоянии 0, нагрузка отключена. При установке подвижного контакта в нижнее положение ("I") на входе R триггера низкий логический уровень и переход триггера в нулевое состояние не происходит - он постоянно находится в состоянии 1, на нагрузке выделяется максимальная мощность.
Поскольку цикл работы счетчика составляет восемь тактов, можно было получить восемь уровней мощности в нагрузке (включая полную и отключение). Для конкретного случая примене ния (регулирование нагрева электроплиток) достаточным оказалось шесть уровней, они указаны на схеме.
Во второй нагрузке регулировка мощности происходит аналогично но единичному состоянию триггера DD3.2 соответствует выключение нагрузки, нулевому - включение. Поэтому, если первая нагрузка включается в начале цикла работы микросхемы DD2 и выключается где-то внутри цикла, то вторая нагрузка включается внутри цикла и выключается в момент включения первой. В результате работа нагрузок максимально возможно разнесена во времени, что несколько уменьшает потери в подводящих проводах. Уменьшено и так малозаметное из-за достаточно высокой частоты коммутации (12,5 Гц) мигание ламп, включаемых в ту же осветительную сеть.
Светодиоды HL1 и HL2 индицируют включение соответствующих нагрузок. По яркости их свечения можно приближенно судить о их мощности.
В регуляторе использованы переключатели ПГ2-9-6П2Н (SA1 и SA2), можно использовать любые другие подходящие по контактным группам и размерам. Микросхему К561ТЛ1 можно заменить на КР1561ТЛ1, К561ТМ2 на К176ТМ2 или КР1561ТМ2. Микросхема К561ИЕ9 заменима на К561ИЕ8 или К176ИЕ8, но при такой замене выход 8 (вывод 9) микросхемы следует соединить с ее входом R (вывод 15), отключив его от вывода 8, для обеспечения коэффициента пересчета 8. Можно также уменьшить дискретность регулировки с 1/8 до 1/10, полностью использовав коэффициент пересчета этих микро схем.
Все элементы регулятора, кроме симисторов VS1, VS2, выходных гнезд XI, Х2 и выключателя SA1, смонтированы на печатной плате размерами 50 х 120 мм (рис. 13). Элементы использованы те же, что и в описанных выше регуляторах.
Конструктивно регулятор оформлен также, как и предыдущий.
При использовании исправных радиоэлементов и отсутствии ошибок в монтаже регулятор налаживания не требует. Если же он не заработает сразу, можно рекомендовать следующий порядок поиска неисправности. Ничего не отключая от элемента DD1.1, превратить его в генератор импульсов частотой примерно 1 Гц, подпаяв между выводами 9 и 10 резистор сопротивлением 100 кОм, а между 7 и 8 - оксидный конденсатор 10 мкФ на напряжение не менее ^ В (плюсом к выводу 8). Подключить регулятор к источнику питания постоянного тока с напряжением 12...15 В, как это описано выше.
При помощи вольтметра или индикатора логических уровней проверить наличие импульсов на выходах счетчика DD2, правильность переключения триггеров микросхемы DD3, включение светодиодов

рис13

HL1 и HL2, прохождение импульсов через элементы DD1.3, DD1.4 и эмиттерные повторители VT3 и VT4 на управляющие электроды симисторов. Следует иметь ввиду, что длительность импульсов на выходах DD1.3 и DD1.4 мала и по вольтметру их можно заметить лишь при его включении между плюсом С2 и
соответствующим выходом микросхемы и на самом чувствительном диапазоне.

рис14

При наличии осциллографа частоту генератора лучше установить примерно 1000 Гц, подпаяв к DD1.3 конденсатор емкостью не 10, а 0,01 мкФ.
Поскольку яркость свечения светодиодов при малых мощностях в нагрузках невелика, можно сделать так, чтобы светодиоды светились одинаково ярко при включении нагрузок на любую мощность и гасли при их выключении (рис. 14). Последовательное включение светодиодов позволяет почти вдвое увеличить ток через них (и, соответственно, яркость) при сохранении общего потребления тока от узла питания на прежнем уровне.