Электрик - электричество и энергетика

Эта статья опубликована на сайте Электрик - электричество и энергетика
  http://electrik.org/

URL этой статьи:
  http://electrik.org/news/article76.php

СИМИСТОРНЫЙ СВЕТОРЕГУЛЯТОР

Статьи / Самодельные устройства для освещения
Послано electrik 28 Дек, 2003 г. - 20:51

А. РУДЕНКО, г. Харьков, Украина
Предлагаемый вниманию читателей светорегулятор позволяет регулировать яркость освещения в помещениях, мощность бытовых нагревательных элементов, скорость вращения двигателей переменного тока. Его можно использовать и для уменьшения пускового тока ламп накаливания, что продлевает срок их службы. Светорегулятор управляется кнопками, что дает возможность включать и выключать нагрузку на заметном расстоянии от управляемого объекта. А чтобы кнопку легко можно было найти в темнотег рядом с ней устанавливается светодиод, который светится только при выключенном освещении.


Этот регулятор выполнен на базе устройства, описанного в статье С. Бирюкова "Симисторные регуляторы мощности" ("Радио", 1996, № 1,с.44—46). В отличие от него, предлагаемый в данной статье светорегулятор не отключается полностью от сети, что потребовало доработать его с целью снижения потребляемого тока. В результате ток снизился до 1,5 мА во всех режимах работы. После доработки расширился и диапазон регулирования мощности. При стоваттной нагрузке он составляет около 99%.



Принципиальная схема светорегулятора показана на рис. 1. Для управления симистором VS1 необходим формирователь коротких импульсов. Один из выводов которого соединен с сетевым проводом. Питается формирователь от источника, собранного на элементах С2, R2, VD1 —VD3, С4, С5. Диоды VD1, VD2 выполняют функции выпрямителя. Выпрямленное напряжение стабилизируется науровне 10 В стабилитроном VD3, Конденсаторы С4, С5 входят в состав сглаживающего фильтра, причем С4 шунтирует в основном высокочастотные сетевые помехи, которые не подавляются оксидным конденсатором С5 из-за его значительной паразитной индуктивности. При положительном напряжении на аноде большинство симисторов можно открыть импульсами любой (относительно катода) полярности, поступающими на управляющий электрод, а при отрицательном — импульсами только отрицательной полярности. Положительный вывод источника питания описываемого регулятора соединен с катодом симистора. В результате на его управляющем электроде будут формироваться отрицательные импульсы при любой полярности на аноде.



При использовании фазоимпульсного метода мощность в нагрузке регулируется путем изменения части полупериода сетевого напряжения, в течение которой симистор про пускает ток. Для отого необходимо выделить начало каждого полупе-риода сетевого напряжения (ему соответствует напряжение, равное или близкое к нулю), а затем в течение 10 мс (длительность половины периода сетевого напряжения частотой 50 Гц) сформировать сам управляющий импульс. Таким образом, чем раньше будет открываться симистор, тем большая мощность станет выделяться на нагрузке.
Формирователь импульсов частотой 100 Гц собран на олементах VT1, VT2, R4,R5, R8. В течение положительного полу периода сетевого напряжения открыт транзистор VT1, в течение отрицательного — транзистор VT2. Резистор R5 ограничивает базовый ток транзисторов. Резистор R8 выполняет функции коллекторной нагрузки обоих транзисторов. Когда сетевое напряжение близко к нулю, оба транзистора закрыты и напряжение на их коллекторах равно напряжению на минусовом выводе источника питания. При этом на входе 1 элемента DD1.1 образуются короткие импульсы отрицательной полярности, соответствующие началу каждого попуперио-да сетевого напряжения.
Во включенном состоянии регулятора на входе 2 элемента DD1,1 присутствует напряжение» соответствующее высокому логическому уровню, поэтому отрицательные импульсы на входе 1 этого элемента инвертируются им и поступают на базу транзистора VT5, включенного по схеме эмиттерного повторителя. Протекающий через него ток заряжает конденсатор С8 практически до напряжения источника питания. Разряжается конденсатор через цепь R9, R10. R12, VT4, При разрядке его до напряжения, соответствующего пороговому, переключаются элементы DD1.2 и DD1.3. Спад напряжения, возникающий на выходе 11 элемента DD1.3, дифференцируется цепью C9R13 и в виде импульса длительностью около 12 мкс через инвертор DD1.4 поступает на усилитель тока на транзисторе VT6, а затем на управляющий электрод симистора VS1. Переменным резистором R10 регулируют длительность разрядки конденсатора С8, от которой зависят момент включения симистора, а значит, и эффективное напряжение на нагрузке.



Стабилитрон VD5 обеспечивает надежный запуск светорегулирующего устройства. При его отсутствии в первый момент включения регулятора после перерыва в работе через управляющий переход симистора и транзистор V6 начинает течь ток, не дающий зарядиться конденсатору фильтра С5 и препятствующий росту напряжения источника питания до номинального значения. Резистор R15 ограничивает ток через управляющий переход симистора. Необходимость такого ограничения вызвана не Обеспечением безопасности эксплуатации стабилитрона и симистора (столь короткий импульс тока не может вывести их из строя), а возможным ухудшением экономичности светорегулятора.
На инверторе DD2.1 и триггере DD3,1 собрано устройство управления включением и выключением светорегулятора, на транзисторе VT4 — узел плавного включения нагрузки, а на элементах DD2.2, DD2.3, VT7, HL1 — узел подсветки кнопки SB1 (SB2-SBn).
При начальном включении регулятора или после пропадания сетевого напряжения цепочка C3R3 формирует положительный импульс на входе R триггера DD3.1, устанавливающий его в нулевое состояние, при котором нагрузка выключена. Элемент DD3.1 реагирует на положительный перепад напряжения на входе С и при каждом его появлении изменяет свое состояние на противоположное. Цепочка R1C1 подавляет дребезг контактов кнопки SB1. Через резистор R1 задается также напряжение на входе инвертора DD2.1. При нажатии на кнопку SB1 на выходе этого элемента возникает положительный перепад напряжения, переклю-чающий триггер DD3.1 в единичное состояние. Высокий логический уровень, появляющийся при отом на прямом выходе триггера, разрешает работу логического элемента DD1.1. Одновременно через резистор R6 конденсатор С6 заряжается практически до 10В. По мере роста напряжения на этом конденсаторе увеличивается напряжение на затворе транзистора VT4 и плавно уменьшается сопротивление его канала, достигая минимума через 5. ..7 с после начала зарядки конденсатора С6. А поскольку канал транзистора VT4 последовательно с резистором R10 включен в цепь разрядки конденсатора С8, мощность в нагрузке плавно возрастает до уровня, установленного резистором R10. Резистор R11 создает минимальное отрицательное смещение на затворе транзистора VT4, которое обеспечивает полное выключение светорегулятора при нулевом сопротивлении резистора R10. Это смещение необходимо еще и для того, чтобы при включении светорегулятора сразу включалась нагрузка. Конденсатор С7 шунтирует резистор R11 по переменному напряжению, исключая его из цепи разрядки конденсатора С8.
Низкий уровень напряжения с инверсного входа триггера DD3.1 закрывает транзистор VT3 и запрещает переключение инверторов DD2.2 и DD2.3. В результате транзистор VT7 остается закрытым, ток через него не течет и включенный в его эмиттерную цепь светодиод HL1 не горит. При следующем нажатии на кнопку SB1 (SB2-SBn) триггер снова переключается в нулевое состояние. Логический нуль с его выхода 13 запрещает переключение элемента DD1.1, и на выходе последнего устанавливается высокий логический уровень, поддерживающий открытое состояние транзистора VT5. В результате конденсатор С8 будет заряжен до максимального напряжения, а нагрузка обесточена. Присутствующий в это время на выходе 12 триггера уровень логического нуля откроет транзистор VT3, через который быстро разрядится конденсатор С6, и светорегулятор будет готов к новому включению. Высокий логический уровень напряжения с выхода 12 триггера поступит также на входы 13 и 9 логических элементов DD2.2, DD2.3 и позволит им пропустить отрицательные импульсы С нагрузки транзисторов VT1, VT2. Эти импульсы откроют на короткое время транзистор VT7, и включенный в его эмиттерную цепь све-тодиодНL1 загорится. Резистор R14 orpa-ничивает средний ток через светодиод, чтобы не перегружать источник питания, иначе его напряжение начнет падать. Все детали светорегулятора, кроме симистора VS1 и светодиода HL1, смонтированы на печатной плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита. Чертеж платы показан на рис. 2, а расположение на ней деталей — на рис. 3. При монтаже можно использовать постоянные резисторы С2-ЗЗН или МЛТ
и любой переменный резистор указанного на принципиальной схеме сопротивления. Конденсаторы C1, С2, С8 — К73-15, К77-3 и другие из серии К70—К78, конденсатор С2 должен быть рассчитан на напряжение не менее 250 В. Конденсатор СЗ — любой оксидный, С4, С9 — керамические КМ-5, К10-17, С5-К50-24 или K5G-29, Сб, С7 - К53-14. На месте диодов могут работать КД510, КД509 с любым буквенным индексом. Стабилитрон VD3 — любой с напряжением стабилизации 10 В. Транзисторы VT1, VT2 могут быть любыми кремниевыми маломощными структуры p-n-р с коэффициентом передачи тока более 100. Транзисторы VT3, VT6, VT7 — маломощные кремниевые, VT5 — серии КТ201 с любым буквенным индексом. Подойдут также кремниевые маломощные транзисторы структуры n-p-n, но в этом случае нужно включить в устройство диод VD4, показанный на схеме штриховой линией. Диод защищает эмиттерный переход от пробоя обратным напряжением, появляющимся на нем каждый раз после закрывания транзистора VT5. Полевой транзистор из серии КП305 с любым буквенным индексом. Предохранитель FU1 должен быть рассчитан на ток не менее тока нагрузки.
Налаживание светорегулятора сводится к подбору резистора R11. Прежде всего разрывают цепь, соединяющую вывод 2 элемента DD1.1 и вывод 13 триггера DD3.1, Затем вывод2 DD1.1 соединяют с его выводом 1. После этого движок резистора R10 устанавливают в нижнее по схеме положение. На место резистора R11 включают переменный резистор сопротивлением 100 кОм, и устанавливают его движок в такое положение, чтобы включенное в цепь сопротивление равнялось нулю. Далее включают светорегулятор в сеть и ждут пока на выходе источника питания не установится номинальное напряжение 10 В. Затем, контролируя с помощью осциллографа форму импульсов тока в нагрузке, увеличивают сопротивление переменного резистора (R11) до тех пор, пока симистор VS1 не перестанет открываться. После этого несколько раз включают и выключают нагрузку, каждый раз проверяя надежно ли транзистор VT4 закрывает симистор VS1. Затем переменный резистор заменяют постоянным и восстанавливают соединение вывода 2 элемента DD1.1 с выводом 13 триггера DD3.1. При желании установкой и подбором резистора R12 можно добиться, чтобы максимальномусопротивлению резистора R10, работающего как реостат, соответствовало нулевое напряжение на нагрузке. Чтобы при полном включении нагрузки на симисторе падало возможно меньшее напряжение, он должен открываться возможно быстрее после начала полупериода- Для этого формирователь импульсов перехода сетевого напряжения через нуль должен вырабатывать достаточно короткие импульсы. Их минимизации добиваются подбором резисторов R4 и R8.
Уменьшать сопротивление резистора R5 нежелательно, так как при отом возрастет потребляемая мощность.
Светорегулятор обладает такой хорошей особенностью: если нагрузка была включена, то после кратковременного пропадания напряжения в сети (на время не более 2 мин) она снова включится. Это происходит потому, что конденсатор С5 в фильтре источника питания разряжается очень медленно, так что ни один логический элемент не переключается. При налаживании светорегулятора и его практическом использовании следует помнить, что все его элементы, включая ось переменного резистора, находятся под напряжением сети. Поэтому регулятор должен быть помещен в корпус из изоляционного материала, а переменный резистор— снабжен ручкой из такого же материала с закрытым стопорным винтом.

От редакции. Для ограничения тока через светодиод HL1 резистор R14 целесообразно перенести из базовой цепи транзистора VT7 в цепь его эмиттера, уменьшив сопротивление R14 до 0,5...1кОм.

С вопросами можете обращаться по почте info@electrik.org [1] или посетив мой сайт: electrik.org [2].
Всего хорошего.

2003 г. Кузнецов Олег



Ссылки в этой статье
  [1] info@electrik.org
  [2] http://electrik.org

   Rambler's Top100      
Электрик © 2002-2008 Oleg Kuznetsov