Сравнивая с устаревшими коммутационными технологиями, можно обозначить еще одно явное преимущество схем регулирования мощности на симисторах – это возможность обеспечения качественной обратной связи и соответственно корректировки работы по обратной связи.
Симисторный регулятор мощности
Простой регулятор мощности до 100Вт можно сделать всего из нескольких деталей. Его можно приспособить для регулирования температуры жала паяльника, яркости настольной лампы, скорости вентилятора и т.п. Регулятор на тиристоре получается по размерам сильно большой и конструктивно имеет недочеты и большую схему. Регулятор мощности на импортном малогабаритном симисторе mac97a (600В; 0,6А) можно коммутировать и более мощные нагрузки, простая схема, плавная регулировка, маленькие габариты.
Если у тиристора есть анод и катод, то электроды у симистора так охарактеризовать нельзя, потому что каждый электрод является и анодом и катодом одновременно. В отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.
Как раз простой схемой, характеризующей принцип работы симистора служит наш электронный регулятор мощности.
После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность он закроется. Потом процесс повторяется.
Чем больше уровень управляющего напряжения тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса.
В данном случае изменяя управляющее напряжение мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника, а также скорость вентилятора.
Принципиальная схема регулятора на симисторе MAC97A6
При каждой полуволне сетевого напряжения конденсатор С заряжается через цепочку сопротивлений R1, R2, когда напряжение на С становится равным напряжению открывания динистора VD1 происходит пробой и разрядка конденсатора через управляющий электрод VS1 .
Динистор DB3 является двунаправленным диодом (триггер-диод), который специально создан для управления симистором или тиристором. В основном своем состоянии динистор DB3 не проводит через себя ток (не считая незначительный ток утечки) до тех пор, пока к нему не будет приложено напряжение пробоя.
В этот момент динистор переходит в режим лавинного пробоя и у него проявляется свойство отрицательного сопротивления. В результате этого на динисторе DB3 происходит падение напряжения в районе 5 вольт, и он начинает пропускать через себя ток, достаточный для открытия симистора или тиристора.
Диаграмма вольт-амперной характеристики (ВАХ) динистора DB3 изображена на рисунке:
Поскольку данный вид полупроводника является симметричным динистором (оба его вывода являются анодами), то нет разницы, как его подключать.
Характеристики динистора DB3
Кому нужно регулировать нагрузку более 100Вт, ниже представлена похожая схема более мощного регулятора на симисторе ВТ136-600.
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.
Простейшая схема симисторного регулятора и принцип ее работы
На рисунке ниже изображена самая простая схема регулятора мощности на симисторе. Проще никак. Для начала рассмотрим компоненты, из которых состоит устройство, и зачем они там нужны.
Схема регулятора мощности на симисторе
В данной схеме присутствует всего 5 радиодеталей:
- Симистор U1.
- Динистор D1.
- Конденсатор C1.
- Переменный резистор RV1.
- Резистор R1.
Симистор U1 – является основным компонентом схемы. Все остальные радиодетали «работают на него». У симистора бывает всего два рабочих состояния – он может быть либо открыт, либо закрыт. Когда он открыт, электрический ток беспрепятственно протекает через него от источника питания к нагрузке. Когда закрыт – ток не течет.
Чтобы «заставить» симистор открыться и пропускать ток, на его управляющий вывод (на схеме находится слева) необходимо подать небольшое напряжение. Закрывается же он «самостоятельно», как только ток перестает течь через основные выводы.
В целом, работает это следующим образом. Напряжение в наших розетках переменное, соответственно, ток тоже бежит то в одну сторону, то в другую с частотой 50 раз в секунду. Если в момент, когда он течет, например, от источника питания к нагрузке, «заставить» симистор открыться, наш прибор получит «дозу» питания и проработает немножко.
Затем ток меняет свое направление, так как напряжение у нас переменное. Это приводит к тому, что симистор закрывается.
Поскольку направление тока из розетки может изменяться по направлению 50 раз в секунду, то мы каждый этот раз можем «пропустить» через нагрузку столько тока, сколько нам надо для получения желаемой мощности.
Например, если пропустим только половину, то 80-ваттный паяльник будет потреблять только 40 Вт, и греться в два раза слабее. А для этого нам надо каждый раз открывать симистор ровно на половине полуволны переменного напряжения. Вторая полуволна будет как бы срезаться, и для питания прибора не использоваться.
Динистор D1 – как раз и «занимается» тем, что заставляет симистор открываться в нужный нам момент. У этого компонента тоже есть всего два состояния – открыт (пропускает ток) и закрыт (не пропускает). Чтобы динистор открылся, и подал на симистор управляющий сигнал, к нему необходимо приложить определенное напряжение (около 30 В). Если напряжение меньше этого значения – он закрыт.
Конденсатор C1 – нужен для того, чтобы открывать динистор D1. Происходит это следующим образом. Когда переменный ток течет в одном из направлений, конденсатор «постепенно» заряжается, и напряжение на его выводах увеличивается. Когда оно достигает значения, достаточного для открывания динистора, последний именно это и делает. А конденсатор возвращается в исходное состояние, то есть, разряжается. И так 50 раз в секунду.
Резисторы R1 и RV1 – ограничивают ток через наш конденсатор. Чем меньше их суммарное сопротивление, тем быстрее конденсатор заряжается и достигает нужного для открытия динистора напряжения. Когда сопротивление резисторов увеличивается, ток течет меньший, и заряд конденсатора происходит медленнее.
Теперь рассмотрим слаженную работу всех этих компонентов вместе. Симистор на каждой полуволне переменного напряжения (50 раз в секунду) открывается и закрывается на определенный промежуток времени, пропуская, или наоборот, не пропуская через себя ток. В зависимости от длительности этого промежутка времени нагрузка (паяльник, двигатель, лампа) получает то или иное напряжение.
Сборка регулятора мощности на симисторе своими руками
От теории плавно переходим к практике. Соберем симисторный регулятор мощности, используя описанную выше схему. Все ее компоненты мы «запрячем» в корпус наружной розетки, превратив ее в источник регулируемого напряжения. Хотя делать это необязательно.
Компоненты для сборки регулятора
Все вышеописанные радиодетали можно без проблем купить в любом радиомагазине. Мы же для сборки нашего регулятора возьмем их из регулятора оборотов вышедшей из строя орбитальной шлифовальной машинки (как раз эта плата уцелела и все компоненты рабочие). Вот она.
Отсюда мы заберем симистор, динистор, конденсатор и резистор. Потенциометр возьмем другой, так как имеющуюся «крутилку» вмонтировать в розетку будет невозможно. Вот что остается.
На фото можно видеть не один резистор, а два. Изначально регулятор был собран с использованием и второго резистора, но после тестирования прибора он был убран. Почему – сказано ниже.
Итак, имеем:
- Симистор BTA06-600C. Такая маркировка означает, что он может пропускать ток силой до 6 А и рассчитан на напряжение до 600 В. Деталь можно заменить на аналогичные, но с учетом этих двух характеристик. Поскольку регулятор у нас для сетевого напряжения, то и симистор должен быть рассчитан на соответствующее напряжение. Чтобы он не перегорел от всплесков напряжения в сети, берем с запасом. Сила тока рассчитывается исходя из мощности подключаемой к регулятору нагрузки. Для этого мощность нагрузки надо разделить на напряжение в сети. Например, для паяльника на 80 Вт максимальная сила тока, которую будет пропускать симистор, составит всего 0,35 А. Как видим, нашего 6-амперного симистора хватит с большим запасом.
- Динистор DB3. Через него текут минимальные токи, да и напряжение сравнительно невысокое. Потому можно взять практически любой похожий.
- Конденсатор. Пленочный, неполярный, рассчитанный на напряжение более 250 В. Емкость – 0,1 микрофарад (или 100 нанофарад, что одно и то же). Обозначается такой кодом 104. Максимальное напряжение тоже обязательно должно быть указано. Если такой надписи нет, то конденсатор использовать нельзя. Электролитические полярные конденсаторы тоже использовать нельзя.
- Резистор R1. Постоянный. Рассчитанный на рассеиваемую мощность 1 Вт. Сопротивление в данном случае 68 кОм. Хотя во многих схемах используется резистор с гораздо меньшим сопротивлением. Почему так, станет понятно во время испытаний. У начинающих радиолюбителей может возникнуть вопрос – зачем нужен этот резистор. А нужен он для того, чтобы ограничивать ток, когда ручка потенциометра выкручена так, что его сопротивление равно или близко к нулю. Если бы не было R1, то весь ток потек бы через RV1, и он бы перегорел от перегрева.
- Переменный резистор. В распаянной схеме стоял на 250 кОм. Подходящего с таким номиналом не нашлось, потому был взят на 470 кОм. К нему параллельно был припаян постоянный резистор на 330 кОм, в результате чего переменный стал примерно на 250 кОм.
- Маленький резистор (на фото). В разобранной схеме был на 330 кОм, и был впаян параллельно переменному резистору. Позже его пришлось удалить, так как из-за него был высокий минимальный порог регулируемого напряжения.
Остановимся немного на резисторах, так как от них зависит регулировочный диапазон в данной схеме. Начнем с R1. Чем меньше его сопротивление, тем большее максимальное напряжение мы сможем получить на выходе регулятора. Однако при уменьшении его сопротивления возрастает ток, протекающий через него во время заряда конденсатора. Соответственно, резистор может нагреваться. А потому надо брать уже не на 1 Вт, а на 2 Вт.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
