Регулятор мощности на симисторе и тиристоре

Регулятор мощности на симисторе и тиристоре

Практически в любом радиоэлектронном устройстве в большинстве случаев присутствует регулировка по мощности. За примерами далеко ходить не надо: это электроплиты, кипятильники, паяльные станции, различные регуляторы вращения двигателей в устройствах.

  • Регулятор мощности на симисторе
  • Напряжение на тиристоре
    • Простая схема
    • С генератором на основе логики
    • На основе транзистора КТ117

Способов, по которым можно собрать регулятор напряжения своими руками 220 В, в Сети полно. В большинстве случаев это схемы на симисторах или тиристорах. Тиристор, в отличие от симистора, более распространённый радиоэлемент, и схемы на его основе встречаются гораздо чаще. Разберём разные варианты исполнения, основанные на обоих полупроводниковых элементах.

Варианты схем регулятора

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

Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В

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.

Китайский регулятор мощности на симисторе

Большую популярность у потребителей получил китайский регулятор мощности на симисторе или диммер. Благодаря низкой цене и многообразию использования он пользуется не малым спросом. Кто уже разобрался в применении, тот использует его в быту. Кто еще нет, найдет ответы в этой статье. Далее рассмотрим:

Основные характеристики от производителя

Особенности:
1. Специальный дизайн с 1,6 мм, FR-4 высокой термостойкостью печатной платы.
2. Безопасная и надежная работа с большим током.
3. Конструкция двойной емкости: безопасный конденсатор и металлический пленочный конденсатор для более эффективной защиты.
4. Применяются материалы из алюминия и нержавеющей стали, более подходят для контроля температуры или контроля скорости и для использования в промышленности.
5. Красивая и легкая, безопасная, удобная, Высококачественная продукция. Не ржавеет после длительного использования.
6. В основном подходит для резистивных нагрузок, например, фонари.

Технические характеристики:
Диапазон напряжения: 10-220 В
Максимальная мощность: 2000 Вт
Вес нетто: 41,8 г
Рабочее напряжение: AC 220 V
Пластина радиатора размер: 48x35x30 мм

Принципиальная схема китайского регулятора мощности на симисторе

Описание работы схемы

В основе схемы лежит фазоимпульсное управление мощностью. При подаче на схему питания через двухзвенный RC-фильтр в начале полупериода сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через резистор R2, и потенциометры R3, R4. С помощью переменных резисторов мы, по сути, меняем время заряда конденсатора С1. Чем больше сопротивление резисторов, тем дольше заряжается конденсатор. Следовательно, динистор будет срабатывать реже и наоборот, т.е. меняется рабочая частота генератора. Этот резистор с конденсатором образуют времязадающую или частотозадающую цепочку.

Когда на выводах конденсатора С1 напряжение достигнет значения примерно 32 вольта (напряжение переключения симметричного динистора DB3), динистор отпирается и конденсатор разряжается по цепи управляющего электрода симистора VS1. Разряд конденсатора происходит мгновенно, вызывая быстрое запирание симметричного динистора. Напряжение на выводах конденсатора С1 скоро вновь становится достаточным для возврата динистора в проводящее состояние и для того, чтобы вызвать появление нового импульса, отпирающего симистор.

При малом сопротивлении цепи R2-R3-R4 порог в 32 вольта достигается быстрее и симистор отпирается раньше, а более высокое сопротивление вызывает большую задержку момента отпирания симистора и, следовательно, уменьшение мощности в нагрузке. Подстроечный резистор R3 позволяет установить границы регулировки мощности.

Для защиты симистора необходима цепочка R1-C2. Она необходима для защиты от внешних перенапряжений, ограничения влияния dV/dt и тока перегрузки. Кроме того, разряд конденсатора С2 через симистор способствует его отпиранию, которое могло бы быть нарушено запаздыванием тока в индуктивной нагрузке.

В регуляторах мощности может применяться много различных схем. Самой простой схемой считается применение переменного резистора, а самой сложной современного микроконтроллера. Если его использовать в домашних условиях, то можно остановиться на самой простой.

Делать это с помощью переменных резисторов неудобно, плюс к этому идут большие потери электроэнергии. Лучшим выходом будет использование симисторного регулятора.

На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.

Схема прибора

Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный.

Основные компоненты:

  • симистор VD4, 10 А, 400 В;
  • динистор VD3, порог открывания 32 В;
  • потенциометр R2.

Ток, протекающий через потенциометр R2 и сопротивление R3, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.

Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2.

Дополнительная цепь из диодов VD1 и VD2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.

Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт.

Используемые элементы:

  • Динистор DB3;
  • Симистор ТС106-10-4, ВТ136-600 или другие, требуемого номинала по току 4-12А.
  • Диоды VD1, VD2 типа 1N4007;
  • Сопротивления R1100 кОм, R3 1 кОм, R4 270 Ом, R5 1,6 кОм, потенциометр R2 100 кОм;
  • Конденсатор С1 0,47 мкФ (рабочее напряжение от 250 В).

Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору.

Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.

Читайте также  Биполярный транзистор

Схема симисторного регулятора мощности

Сборка

Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:

  1. Определить параметры прибора, на который будет работать разрабатываемое устройство. К параметрам относятся: количество фаз (1 или 3), необходимость точной регулировки выходной мощности, входное напряжение в вольтах и номинальный ток в амперах.
  2. Выбрать тип устройства (аналоговый или цифровой), произвести подбор элементов по мощности нагрузки. Можно проверить своё решение в одной из программ для моделирования электрических цепей – Electronics Workbench, CircuitMaker или их онлайн аналогах EasyEDA, CircuitSims или любой другой на ваш выбор.
  3. Рассчитать тепловыделение по следующей формуле: падение напряжения на симисторе (около 2 В) умножить на номинальный ток в амперах. Точные значения падения напряжения в открытом состоянии и номинальный пропускаемый ток указаны в характеристиках симистора. Получаем рассеиваемую мощность в ваттах. Подобрать по рассчитанной мощности радиатор.
  4. Закупить необходимые электронные компоненты, радиатор и печатную плату.
  5. Произвести разводку контактных дорожек на плате и подготовить площадки для установки элементов. Предусмотреть крепление на плате для симистора и радиатора.
  6. Установить элементы на плату при помощи пайки. Если нет возможности подготовить печатную плату, то можно использовать для соединения компонентов навесной монтаж, используя короткие провода. При сборке особое внимание уделить полярности подключения диодов и симистора. Если на них нет маркировки выводов, то прозвонить их при помощи цифрового мультиметра или «аркашки».
  7. Проверить собранную схему мультиметром в режиме сопротивления. Полученное изделие должно соответствовать изначальному проекту.
  8. Надёжно закрепить симистор на радиатор. Между симистором и радиатором не забыть проложить изолирующую теплопередающую прокладку. Скрепляющий винт надёжно заизолировать.
  9. Поместить собранную схему в пластиковый корпус.
  10. Вспомнить о том, что на выводах элементов присутствует опасное напряжение.
  11. Выкрутить потенциометр на минимум и произвести пробное включение. Измерить напряжение мультиметром на выходе регулятора. Плавно поворачивая ручку потенциометра следить за изменением напряжения на выходе.
  12. Если результат устраивает, то можно подключать нагрузку к выходу регулятора. В противном случае необходимо произвести регулировки мощности.

Симисторный радиатор мощности

Регулировка мощности

За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.

Регулятор для индуктивной нагрузки

Нередко в хозяйстве необходимо выполнить сварочные работы. Если есть готовый инверторный сварочного аппарата, то сварка не представляет особых трудностей, поскольку в аппарате присутствует регулировка тока. У большинства людей нет такого сварочного и приходится пользоваться обычным трансформаторным сварочным, в котором регулировка тока осуществляется путем смены сопротивления, что довольно неудобно.

Тех, кто пробовал использовать в качестве регулятора симистор, ждет разочарование. Он не будет регулировать мощность. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.

Но существует выход из этой ситуации. Следует подать на управляющий электрод однотипный импульс или подавать на УЭ (управляющий электрод) постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль. Схема регулятора выглядит следующим образом:

Конечно, схема довольно сложная в сборке, но такой вариант решит все проблемы с регулировкой. Теперь не нужно будет пользоваться громоздким сопротивлением, к тому же очень плавной регулировки не получится. В случае с симистором возможна довольно плавная регулировка.

Если существуют постоянные перепады напряжения, а также пониженное или повышенное напряжение, рекомендуется приобрести симисторный регулятор или по возможности сделать регулятор своими руками. Регулятор защитит бытовую технику, а также предотвратит ее порчу.

Припаиваем по схеме провода питания

Перед первым включением необходимо прозвонить всю схему и убедиться в том, что она собрана правильно. Убедившись в правильной сборке, подключаем на выход нагрузку. Наглядной нагрузкой для определения правильности работы регулятора может служить лампочка.

Изменяя положение ползунка потенциометра, убеждаемся в изменении интенсивности свечения лампы.

Схема работает и её можно использовать для регулировки мощности любой нагрузки.

Принцип работы и цели применения

Принцип работы симисторного регулятора основан на особенностях полупроводниковых приборов, которые ограничивают амплитуду переменного тока с одновременным снижением мощности в нагрузке. При заданной частоте сетевого напряжения регулировать этот показатель удается в небольших пределах (не более 20-30%).

Качество и глубина регулировки зависят от схемы управления работой симисторных элементов, которая предполагает различные исполнения.

В простейших случаях она состоит из нескольких дискретных элементов: диодов, развязывающего трансформатора, резисторов и конденсаторов. В более сложных устройствах функцию регулирующего модуля выполняет микросхема или микропроцессор. В соответствии со способом управления симисторами возможны различные методы изменения величины мощности, отдаваемой в нагрузку. Наиболее распространенный способ, позволяющий эффективно, с минимальными потерями, делать это – воздействие на фазу преобразуемого напряжения. В соответствии с изменяемым параметром этот метод называется импульсно-фазным, а работающий на его основе прибор представляет собой фазовый регулятор мощности.

Симисторные схемы применяются во многих устройствах, при работе с которыми приходится иметь дело с индуктивной нагрузкой – обмотками электродвигателя, в частности. К этой же категории промышленных и бытовых приборов относят:

  • стиральные машины, фены, а также компрессорные установки;
  • кипятильники, пылесосы и ряд моделей осветительных приборов;
  • насосы и асинхронные электродвигатели заводских станков;
  • котельное оборудование и даже обычные паяльники.

Характер применения оборудования, управляемого посредством фазовых регуляторов мощности на симисторах, практически одинаков. Различаются только эксплуатационные показатели самих полупроводниковых устройств: величина тока, мощность в нагрузке, эффективность управления, экономичность и другие.

Сборка регулятора

Прежде чем собрать по схеме симисторный регулятор мощности, нужно выполнить ряд действий:

  1. Осуществите разводку дорожек на плате и подготовьте площадки, на которых нужно установить элементы. Заранее предусмотрите места для монтажа симистора и радиатора.
  2. Установите все элементы на плате и припаяйте их. В том случае, если у вас нет возможности сделать печатную плату, допускается использование навесного монтажа. Провода, которыми соединяются все элементы, должны быть как можно короче.
  3. Обратите внимание на то, соблюдена ли полярность при подключении симистора и диодов. Если отсутствует маркировка, прозвоните элементы мультиметром.
  4. Проверьте схему, используя мультиметр в режиме измерения сопротивления.
  5. Закрепите на радиаторе симистор, желательно использовать термопасту для лучшего контакта поверхностей.
  6. Всю схему можно установить в пластиковом корпусе.
  7. Установите в крайнее левое положение ручку переменного резистора и включите прибор.
  8. Измерьте значение напряжения на выходе устройства. Если вращать ручку резистора, напряжение должно плавно увеличиваться.

Как видите, изготовленный своими руками симисторный регулятор мощности – это полезная конструкция, которую можно использовать в быту практически без ограничений. Ремонт этого устройства копеечный, так как себестоимость довольно низкая.