Схема симисторного регулятора напряжения

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.

Схема симисторного регулятора напряженияФорма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%

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.

Схема симисторного регулятора напряженияРисунок 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.

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.

Схема симисторного регулятора напряженияРегулятор мощности с обратной связью

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.
Читайте также:  Двухфазный двигатель переменного тока

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.

Схема симисторного регулятора напряженияТаблица для подбора номиналов сопротивлений 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.

Схема симисторного регулятора напряженияСхема регулятора мощности для индуктивной нагрузки

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

Схема симисторного регулятора напряженияОсциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности

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.

Схема симисторного регулятора напряженияСамодельный регулятор мощности

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.

Полупроводниковый прибор, имеющий 5 p-n переходов и способный пропускать ток в прямом и обратном направлениях, называется симистором. Из-за неспособности работы на высоких частотах переменного тока, высокой чувствительности к электромагнитным помехам и значительного тепловыделения при коммутации больших нагрузок, в настоящее время широкого применения в мощных промышленных установках они не имеют.

Сегодня схемы на симисторах можно найти во многих бытовых приборах от фена до пылесоса, ручном электроинструменте и электронагревательных устройствах – там, где требуется плавная регулировка мощности.

Схема симисторного регулятора напряжения

Принцип работы

Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.

Делаем своими руками

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).
Читайте также:  Механизм для сшивания документов

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.

Схема симисторного регулятора напряженияСхема 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.

Схема симисторного регулятора напряженияСимисторный 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.

Схема симисторного регулятора напряженияПрактически 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.

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.

Регулятор мощности на симисторе

Симистор, по большому счету, — это частный случай тиристора, пропускающий ток в обе стороны, при условии, что он выше тока удержания. Один из его недостатков — это плохая работа на высоких частотах. Поэтому его часто используют в низкочастотных сетях. Для построения регулятора мощности на основе обычной сети 220 В, 50 Гц он вполне подходит.

Регулятор напряжения на симисторе используется в обычных бытовых приборах, где нужна регулировка. Схема регулятора мощности на симисторе выглядит следующим образом.

Схема симисторного регулятора напряжения

  • Пр. 1 — предохранитель (выбирается в зависимости от требуемой мощности).
  • R3 — токоограничительный резистор — служит для того чтобы при нулевом сопротивлении потенциометра остальные элементы не выгорели.
  • R2 — потенциометр, подстроечный резистор, которым и осуществляется регулировка.
  • C1 — основной конденсатор, заряд которого до определённого уровня отпирает динистор, вместе с R2 и R3 образует RC-цепь
  • VD3 — динистор, открытие которого управляет симистором.
  • VD4 — симистор — главный элемент, производящий коммутацию и, соответственно, регулировку.

Схема симисторного регулятора напряженияОсновная работа возложена на динистор и симистор. Сетевое напряжение подаётся на RC-цепочку, в которой установлен потенциометр, им в итоге и регулируется мощность. Производя регулировку сопротивления, мы меняем время зарядки конденсатора и тем самым порог включения динистора, который, в свою очередь, включает симистор. Демпферная RC-цепь, подключённая параллельно симистору, служит для сглаживания помех на выходе, а также при реактивной нагрузке (двигатель или индуктивность) предохраняет симистор от скачков высокого обратного напряжения.

Симистор включается, когда ток, проходящий через динистор, превышает ток удержания (справочный параметр). Отключается, соответственно, когда ток становится меньше тока удержания. Проводимость в обе стороны позволяет настроить более плавную регулировку, чем это возможно, например, на одном тиристоре, при этом используется минимум элементов.

Читайте также:  Маленькие животные из резинок

Осциллограмма регулировки мощности представлена ниже. Из неё видно, что после включения симистора оставшаяся полуволна поступает на нагрузку и при достижении 0, когда ток удержания уменьшается до такой степени, что симистор отключается. Во втором «отрицательном» полупериоде происходит тот же процесс, т. к. симистор обладает проводимостью в обе стороны.

Схема симисторного регулятора напряжения

Напряжение на тиристоре

Для начала разберёмся, чем отличается тиристор от симистора. Тиристор содержит в себе 3 p-n перехода, а симистор — 5 p-n переходов. Не углубляясь в детали, если говорить простым языком, симистор обладает проводимостью в обоих направлениях, а тиристор — только в одном. Графические обозначения элементов показаны на рисунке. Из графики это хорошо видно.

Схема симисторного регулятора напряжения

Принцип работы абсолютно такой же. На чём и построена регулировка по мощности в любой схеме. Рассмотрим несколько схем регулятора на тиристорах. Первая простейшая схема, которая в основе повторяет схему на симисторе, описанную выше. Вторая и третья — с применением логики, схемы, которые более качественно гасят помехи, создаваемые в сети переключением тиристоров.

Простая схема

Простая схема фазового регулирования на тиристоре представлена ниже.

Схема симисторного регулятора напряжения

Единственное её отличие от схемы на симисторе — это то, что регулировка происходит только положительной полуволны сетевого напряжения. Времязадающая RC-цепь путём регулирования величины сопротивления потенциометра регулирует величину отпирания, тем самым задавая выходную мощность, поступающую на нагрузку. На осциллограмме это выглядит следующим образом.

Схема симисторного регулятора напряжения

Из осциллограммы видно, что регулировка мощности идёт путём ограничения напряжения поступающего на нагрузку. Образно говоря, регулировка заключается в ограничении поступления сетевого напряжения на выход. Регулируя время заряда конденсатора путём изменения переменного сопротивления (потенциометра). Чем выше сопротивление, тем дольше происходит заряд конденсатора и тем меньше мощности будет передано на нагрузку. Физика процесса подробно описана в предыдущей схеме. В этом случае она ничем особым не отличается.

С генератором на основе логики

Второй вариант более сложный. В связи с тем, что процессы коммутации на тиристорах вызывают большие помехи в сети, это плохо влияет на элементы, установленные на нагрузке. Особенно если на нагрузке находится сложный прибор с тонкими настройками и большим количеством микросхем.

Схема симисторного регулятора напряжения

Такая реализация тиристорного регулятора мощности своими руками подойдёт для активных нагрузок, например, паяльник или любые устройства нагрева. На входе стоит выпрямительный мост, поэтому обе волны сетевого напряжения будут положительными. Обратите внимание, что при такой схеме для питания микросхем понадобиться дополнительный источник постоянного напряжения +9 В. Осциллограмма из-за наличия выпрямительного моста будет выглядеть следующим образом.

Схема симисторного регулятора напряжения

Обе полуволны теперь будут положительными из-за влияния выпрямительного моста. Если для реактивных нагрузок (двигатели и другие индуктивные нагрузки) наличие разно полярных сигналов предпочтительно, то для активных — положительное значение мощности крайне важно. Отключение тиристора происходит также при приближении полуволны к нулю ток удержания подаёт до определённого значения и тиристор запирается.

На основе транзистора КТ117

Наличие дополнительного источника постоянного напряжение может вызвать затруднения, если его нет, и вовсе придётся городить дополнительную схему. Если дополнительного источника у вас нет, то можно воспользоваться следующей схемой, в ней генератор сигналов на управляющий вывод тиристора собран на обычном транзисторе. Есть схемы на основе генераторов, построенных на комплементарных парах, но они более сложные, и здесь мы их рассматривать не будем.

Схема симисторного регулятора напряжения

В данной схеме генератор построен на двухбазовом транзисторе КТ117, который при таком применении будет генерировать управляющие импульсы с периодичностью, задаваемой подстроечным резистором R6. На схеме ещё реализована система индикации на базе светодиода HL1.

  • VD1-VD4 — диодный мост, выпрямляющий обе полуволны и позволяющий выполнять более плавную регулировку мощности.
  • EL1 — лампа накаливания — представлена вроде нагрузки, но может быть любой другой прибор.
  • FU1 — предохранитель, в этом случае стоит на 10 А.
  • R3, R4 — токоограничительные резисторы — нужны, чтобы не сжечь схему управления.
  • VD5, VD6 — стабилитроны — выполняют роль стабилизации напряжения определённого уровня на эмиттере транзистора.
  • VT1 — транзистор КТ117 — установлен должен быть именно с таким расположение базы №1 и базы №2, иначе схема будет не работоспособна.
  • R6 — подстроечный резистор, определяющий момент, когда поступает импульс на управляющий вывод тиристора.
  • VS1 — тиристор — элемент, обеспечивающий коммутацию.
  • С2 — времязадающий конденсатор, определяющий период появления управляющего сигнала.

Остальные элементы играют незначительную роль и в основном служат для токоограничения и сглаживания импульсов. HL1 обеспечивает индикацию и сигнализирует только о том, что прибор подключён к сети и находится под напряжением.