Фазный регулятор мощности. Симисторный регулятор мощности. Делаем своими руками
Каждая имеет свои преимущества и недостатки. Рассматриваемая сегодня выбрана мной не случайно. Итак, попал ко мне советский электрокамин. На верхней крышке имелось отверстие под ручку встроенного регулятора мощности, которого там не оказалось. По счастливой случайности мне через некоторое время попался рабочий экземпляр такого же камина. В качестве регулятора там оказалась на первый взгляд довольно сложная схема на двух тиристорах и множеством очень мощных резисторов. Её повторение не имело смысла, хотя у меня и есть доступ к практически любым советским радиодеталям, так как это обошлось бы в разы дороже, чем тот вариант, который изготовлен сейчас. Для начала камин был подключён к сети напрямую, ток потребления оказался 5,6 А, что соответствует паспортной мощности камина 1,25 кВт. Но зачем тратить столько энергии, тем более что она не дешёвая, и не всегда нужно включать обогреватель на полную мощность. Поэтому было принято решение приступить к поискам мощного регулятора мощности. У себя в закромах нашёл уже готовую схему от китайского пылесоса, на симисторе ВТА. Этот регулятор являлся фазовым, т.е. такой тип регуляторов пропускает не всю полуволну сетевого синусоидального напряжения, а только её часть, тем самым ограничивая мощность, подводимую к нагрузке. Регулировка осуществляется открытием симистора при нужном фазовом угле.
Преимущества фазового регулятора:
- простота изготовления
- дешевизна
- лёгкая управляемость
Недостатки:
- при простой схеме нормальная работа наблюдается только с нагрузками типа ламп накаливания
- при мощной активной нагрузке появляется неприятный гул (дребезг), который может возникать как в самом симисторе, так и на нагрузке (нагревательная спираль)
- создаёт множество радиопомех
Было принято решение использовать другой тип регулятора - дискретный. Такие регуляторы открывают симистор на период целой полуволны напряжения, но количество пропущенных полуволн ограничивается. Например, на рисунке сплошная часть графика - прошедшие сквозь симистор полуволны, пунктиром - не прошедшие, то есть в это время симистор был закрыт.
Преимущества дискретных регуляторов:
- меньший нагрев симистора
- отсутствие звуковых эффектов даже при достаточно мощной нагрузке
- отсутствие радиопомех
- отсутствие загрязнения электросети
Принципиальная схема ступенчатого регулятора мощности
При первом включении на индикаторе светится 0. Включение и отключение происходит одновременным нажатием и удержанием двух кнопок. Регулировка больше/меньше - каждой кнопкой по отдельности. Если не нажимать ни одну из кнопок, то после последнего нажатия через 2 часа регулятор отключится сам, индикатор будет моргать на ступени последнего рабочего уровня нагрузки. При отключении от сети запоминается последний уровень, который будет установлен при следующем включении. Регулировка происходит от 0 до 9 и далее от А до F. То есть всего 16 ступеней регулировки.
При изготовлении платы первый раз применил ЛУТ, и не правильно отзеркалил при распечатке, поэтому контроллер перевёрнут вверх-ногами:) Индикатор тоже не совпал, поэтому припаял его проводками. Когда рисовал плату, по ошибке разместил стабилитрон после диода, пришлось его впаять на другой стороне платы.
На рисунке указан симистор ВТ136, но и ВТА12 прекрасно работает с указанными номиналами деталей. Радиатор возможно великоват, можно было поставить и по меньше, но другого у меня не оказалось.
При первом включении у меня на индикаторе моргал 0, на нажатие кнопок не было реакции. Проблема решилась установкой конденсатора по питанию на 1000 мкФ, вместо 220. В течении месяца использования никаких проблем в работе не выявлено. Схема, прошивка, печатная плата в архиве .
Рисунок 1 – общий первоначальный вид
Справа на верхней пластмассовой крышке имелось отверстие под ручку встроенного регулятора мощности, которого там не оказалось. По счастливой случайности мне через некоторое время попался рабочий экземпляр такого же камина. В качестве регулятора там оказалась на первый взгляд довольно сложная схема на двух тиристорах и множеством очень мощных резисторов. Её повторение не имело смысла, хотя у меня и есть доступ к практически любым советским радиодеталям, так как это обошлось бы в разы дороже, чем тот вариант, который изготовлен сейчас.
Для начала камин был подключён к сети напрямую, ток потребления оказался 5,6 А, что соответствует паспортной мощности камина 1,25 кВт. Но зачем тратить столько энергии, тем более что она не дешёвая, и не всегда нужно включать обогреватель на полную мощность. Поэтому было принято решение приступить к поискам мощного регулятора мощности. У себя в загашниках нашёл уже готовую схему от китайского пылесоса, на симисторе ВТА12-600
. Симистор, с его номинальным током 12 А, отлично мне подходил. Этот регулятор являлся фазовым, т.е. такой тип регуляторов пропускает не всю полуволну сетевого синусоидального напряжения, а только её часть, тем самым ограничивая мощность, подводимую к нагрузке. Регулировка осуществляется открытием симистора при нужном фазовом угле?
Рисунок 2 – а) обычная форма сетевого напряжения; б) напряжение, поданное через регулятор
Преимущества фазового регулятора
:
- простота изготовления
- дешевизна
- лёгкая управляемость
Недостатки
:
При простой схеме нормальная работа наблюдается только с нагрузками типа ламп накаливания
- при мощной активной нагрузке появляется неприятный гул (дребезг), который может возникать как в самом симисторе, так и на нагрузке (нагревательная спираль)
- создаёт множество радиопомех
- загрязняет электросеть
В итоге, протестировав схему регулятора из пылесоса, выявлено дребезжание спирали электрокамина.
Рисунок 3 – Вид внутри камина
Спираль имеет вид намотанной проволоки (материал определить не могу) на двух планках, залитой для фиксации на ребрах планок каким-то термостойким затвердителем. Возможно, дребезг мог вызвать его разрушение. Были предприняты попытки включить дроссель последовательно с нагрузкой, зашунтировать симистор RC-цепочкой (что является частичным спасением от помех). Но ни одна их этих мер не дала полного избавления от шума.
Было принято решение использовать другой тип регулятора – дискретный. Такие регуляторы открывают симистор на период целой полуволны напряжения, но количество пропущенных полуволн ограничивается. Например, на рисунке 3 сплошная часть графика – прошедшие сквозь симистор полуволны, пунктиром – не прошедшие, то есть в это время симистор был закрыт.
Рисунок 4 – Принцип дискретного регулирования
Преимущества дискретных регуляторов
:
- меньший нагрев симистора
- отсутствие звуковых эффектов даже при достаточно мощной нагрузке
- отсутствие радиопомех
- отсутствие загрязнения электросети
Недостатки
:
Возможны скачки напряжения (при 220В на 4-6 В при нагрузке 1.25 кВт), что может быть заметно на лампах накаливания. На остальной домашней технике этот эффект не заметен.
Выявленный недостаток проявляется тем заметнее, чем на меньший предел регулировки установлен регулятор. На максимуме нагрузки скачков совершенно нету. Как возможное решение данной проблемы возможно использование стабилизатора напряжения для ламп накаливания. На просторах интернета была найдена следующая схема, которая привлекала своей простотой и удобством управления.
Рисунок 5 – Принципиальная схема дискретного регулятора
Описание управления
При первом включении на индикаторе светится 0. Включение и отключение происходит одновременным нажатием и удержанием двух кнопок. Регулировка больше/меньше – каждой кнопкой по отдельности. Если не нажимать ни одну из кнопок, то после последнего нажатия через 2 часа регулятор отключится сам, индикатор будет моргать на ступени последнего рабочего уровня нагрузки. При отключении от сети запоминается последний уровень, который будет установлен при следующем включении. Регулировка происходит от 0 до 9 и далее от А до F. То есть всего 16 ступеней регулировки.
При изготовлении платы первый раз применил ЛУТ
, и не правильно отзеркалил при распечатке, поэтому контроллер перевёрнут вверх-ногами Индикатор тоже не совпал, поэтому припаял его проводками. Когда рисовал плату, по ошибке разместил стабилитрон после диода, пришлось его впаять на другой стороне платы.
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.
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.
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.
Схема регулятора с обратной связью
Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:
- Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
- 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.
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.
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.
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:
- Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
- Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
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.
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.
Схема регулятора предназначена для плавного управления мощности активной нагрузки , питающейся от сети переменного тока 220 вольт частотой 50 Гц. Мощность нагрузки зависит от типа применяемого симистора. В основу метода управления положен принцип фазового регулирования момента включения симистора, включенного последовательно с нагрузкой.
Фото его смотрите на рисунках:
В момент включения мощность на нагрузке нарастает плавно, что есть хорошо, если регулятор используется для регулирования яркости лампы освещения. Также схему регулятора можно применить еще к множеству приборов работающих от сети 220в.
Основным элементом регулятора является микроконтроллер PIC16F84A . По входу RB0 микроконтроллера организовано прерывание в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Перепад на этом выводе формирует узел на оптопаре U1 (АОУ110Б). От момента прерывания программно организована задержка включения симистора, которая меняется в определённых пределах. На светодиодном индикаторе это выглядит как регулирование мощности от 0 до 99%.
Схема регулятора мощности представлена на рисунке:
Погрешность соответствия показаний индикатора и действительной мощности подводимой к нагрузке вполне достаточная для применения регулятора для бытовых целей. Кнопки S1 и S2 служат для увеличения и уменьшения мощности соответственно. В подпрограмме опроса кнопок организовано несколько режимов, удобных в пользовании, при однократном нажатии изменение на единицу значения, при долгом нажатии быстрое изменение и очень быстрое.
Узел управления симистором состоит из элементов U2, VD3, R5, стандартное схемное решение, оптотиристор U2 (АОУ103В) обеспечивает гальваническую развязку и с помощью диодного моста VD3 (W08) управление симистором VS1.
Схема питается от сети через трансформатор T1. Далее напряжение выпрямляется диодным мостом VD2, часть напряжения поступает на оптопару U1, для формирования перепада перехода сетевого напряжения через ноль, остальная часть через диод VD1 на микросхему стабилизатора IC1, которая стабилизирует напряжение до 5 вольт. Элементы С1, С2, С7 служат для сглаживания пульсаций сетевого напряжения.
Однажды для одного небольшого домашнего проекта мне потребовался регулятор мощности, пригодный для регулировки скорости вращения электромотора переменного тока. В качестве основы использовалась вот такая плата на базе микроконтроллера STM32F103RBT6. Плата была выбрана как имеющая честный RS232 интерфейс и имеющая при этом минимум дополнительных компонентов. На плате отсутствует слот под литиевую батарейку для питания часов, но приживить его - дело пятнадцати минут.
Итак, начнём с теории. Все знакомы с так называемой широтно-импульсной модуляцией , позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД. Лишняя мощность в таком случае просто не будет потребляться, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла, как при линейном регулировании, представляющем собой не более чем усложнённый вариант реостата. Однако, по ряду причин такое управление, будучи выполненным «в лоб», не всегда подходит для переменного тока. Одна из них - бо́льшая схемотехническая сложность, поскольку требуется диодный мост для питания силовой части на MOSFET или IGBT транзисторах. Этих недостатков лишено симисторное управление, представляющее собой модификацию ШИМ.
Симистор (TRIAC в англоязычной литературе) - это полупроводниковый прибор, модификация тиристора, предназначенный для работы в качестве ключа, то есть он может быть либо открыт, либо закрыт и не имеет линейного режима работы. Основное отличие от тиристора - двусторонняя проводимость в открытом состоянии и (с некоторыми оговорками) независимость от полярности тока (тиристоры и симисторы управляются током, как и биполярные транзисторы) через управляющий электрод. Это позволяет легко использовать симистор в цепях переменного тока. Вторая особенность, общая с тиристорами, - это свойство сохранять проводимость при исчезновении управляющего тока. Закрывается симистор при отключении тока между основными электродами, то есть, когда переменный ток переходит через ноль. Побочным эффектом этого является уменьшение помех при отключении. Таким образом, для открывания симистора нам достаточно подать на управляющий электрод открывающий импульс небольшой, порядка десятков микросекунд, длительности, а закроется он сам в конце полупериода переменного тока.
Симисторное управление учитывает вышеперечисленные свойства этого прибора и заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Заштрихованная на рисунке часть - результат этой процедуры. Таким образом, на выходе вместо синусоиды мы будем иметь что-то, в известной степени напоминающее пилу:
Теперь наша задача - вовремя отпирать симистор. Эту задачу мы возложим на микроконтроллер. Приведённая ниже схема является результатом анализа имеющихся решений а также документации к оптронам. В частности, силовая часть взята из документации на симисторный оптрон производства Texas Instruments. Схема не лишена недостатков, один из которых - мощный проволочный резистор-печка, через который включён оптрон, детектирующий переход через ноль.
Как это работает? Рассмотрим рисунок.
На положительном полупериоде, когда ток через оптрон превышает некоторое пороговое значение, оптрон открывается и напряжение на входе микроконтроллера опускается практически до нуля (кривая «ZC» на рисунке). Когда же ток снова опускается ниже этого значения, на микроконтроллер снова поступает единица. Происходит это в моменты времени, отстоящие на dz от нуля тока. Это dz ощутимо, в моём случае составляет около 0.8 мс, и его необходимо учитывать. Это несложно: мы знаем период T и длительность импульса высокого уровня h, откуда dz = (h - T / 2) / 2. Таким образом, нам необходимо открывать симистор через dz + dP от переднего фронта сигнала с оптрона.
О фазовом сдвиге dP стоит поговорить отдельно. В случае c ШИМ постоянного тока среднее значение тока на выходе будет линейно зависеть от скважности управляющего сигнала. Но это лишь потому, что интеграл от константы даёт линейную зависимость. В нашем случае необходимо отталкиваться от значения интеграла синуса. Решение простого уравнения даёт нам искомую зависимость: для линейного изменения среднего значения тока необходимо менять фазовый сдвиг по закону арккосинуса, для чего достаточно ввести в управляющую программу LUT таблицу.
Всё, о чём я расскажу в дальнейшем, имеет прямое отношение к архитектуре микроконтроллеров серии STM32, в частности, к архитектуре их таймеров. Микроконтроллеры этой серии имеют разное число таймеров, в STM32F103RBT6 их семь, из которых четыре пригодны для захвата и генерации ШИМ. Таймеры можно каскадировать: для каждого таймера одно из внутренних событий (переполнение, сброс, изменение уровня на одном из входных или выходных каналов и т.д.; за подробностями отсылаю вас к документации) можно объявить выходным и направить его на другой таймер, назначив на него определённое действие: старт, стоп, сброс и т.д. Нам потребуются три таймера: один из них, работая в т.н. PWM input режиме, замеряет период входного сигнала и длительность импульса высокого уровня. По окончании измерения, после каждого периода генерируется прерывание. Одновременно с этим запускается связанный с этим событием таймер фазового сдвига, работающий в ждущем режиме. По событию переполнения этого таймера происходит принудительный сброс таймера, генерирующего выходной управляющий сигнал на симистор, таким образом, через каждый полный период переменного тока подстраивается фаза управляющего сигнала. Только первый таймер генерирует прерывание, и задача обработчика сводится к подстройке фазового сдвига (регистр ARR ждущего таймера) и периода ШИМ таймера (также регистр ARR) так, чтобы он всегда был равен половине периода переменного тока. Таким образом, всё управление происходит на аппаратном уровне и влияние программных задержек полностью исключается. Да, это можно было сделать и программно, но грех было не воспользоваться такой возможностью, как каскадируемые таймеры.
Выкладывать на обозрение код всего проекта я не вижу смысла, к тому же, он далёк от завершения. Приведу лишь фрагмент, содержащий описанный выше алгоритм . Он абсолютно независим от прочих частей и легко может быть портирован в другой проект на совместимом микроконтроллере.
И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии: