Электрик - электричество и энергетика

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

URL этой статьи:
  http://electrik.org/news/article80.php

ДВЕ ФУНКЦИИ В ОДНОМ РЕГУЛЯТОРЕ

Статьи / Самодельные устройства для освещения
Послано electrik 11 Янв, 2004 г. - 22:50

В, ЖГУЛЕВ, г. Серпухов Московской обл.
Симисторный регулятор позволяет совместить две функции — управление яркостью лампы накаливания и обеспечение ее плавного включения в сеть.

Наиболее эффективное регулирование мощности в сети переменного тока обеспечивают симисторы. Для их управления обычно используют экономичные цифровые микросхемы структуры КМОП, на которых легко реализовать нужный алгоритм управления. Свойство же симистора управляться током одной полярности дает возможность соединить преимущества этих приборов в одном устройстве.
В статье предлагается достаточно простое и вместе с тем эффективное техническое решение регулятора "два в одном", в котором осуществлено не только регулирование яркости лампы накаливания, но и обеспечен так называемый "плавный пуск" при включении регулятора в сеть. Нагрузкой подобного регулятора может быть коллекторный электродвигатель, срок службы которого при плавном включении будет возрастать. Сначала рассмотрим некоторые особенности вольт-амперных характеристик (ВАХ) симистора, без учета которых можно и не получить стабильной работы изготовленного регулятора.



Кривая 1 (рис. 1) представляет собой ВАК симистора при отсутствии тока управления, кривая 3 — при токе управления, равном току спрямления, а кривая 2 — при некотором промежуточном значении тока управления. Из графика следует, что симистор будет гарантированно включен только при токе управления, равном или превышающем ток спрямления. Промежуточное значение тока управления переводит симистор во включенное состояние, только если приложенное к нему напряжение превысит некоторое значение (U2 на ВАХ 2), соответствующее этому току управления. Начальный участок ВАК открытого состояния характеризуется током удержания. Если ток через симистор и нагрузку при наличии тока управления окажется менее тока удержания, то фиксация включенного состояния не произойдет — по окончании импульса управления симистор вернется в закрытое состояние. Уменьшение тока нагрузки через открытый симистор до значения менее тока удержания также вызовет переход симистора в закрытое состояние, если тока управления не будет. При токе же нагрузки менее удерживающего симистор откроется только при наличии тока управления.
Таким образом, устройство управления должно обеспечивать не только достаточный ток по цепи управляющего электрода, но и изменять угол регулирования только в тех пределах, при которых ток нагрузки поддерживает включенное состояние симистора.



Изложенное иллюстрирует рис. 2, на котором показана осциллограмма тока управления и напряжения на си-мисторе. На графике 2,а не произошло включения симистора в положительный полупериод. На графике 2,б при токе нагрузки менее тока удержания открывание симистора происходит только во время управляющих импульсов. Из диаграммы следует: практикуемое повышение частоты импульсов управления вызывает модуляцию напряжения на нагрузке частотой импульсов управления, что приводит к возрастанию помех.
На графике 2,в показано, каким должен быть импульс тока управления для беспомехового включения—отключения нагрузки в цепи переменного тока при позиционном регулировании [1].



График 2,г иллюстрирует различие в ширине зоны управляемости экземпляра симистора TG106-10 с максимальным значением тока удержания (45 мА) согласно справочным данным [2, 3] для управления лампами накаливания 220 В X 1 00 Вт и 220 В X 25 Вт. При изготовлении регулятора полезно измерять реальные значения тока управления и удержания, чтобы оценить пригодность симистора к конкретной, особенно маломощной нагрузке. Это вынужденная мера, поскольку маломощных симисторов на ток 0,5...1 А нет, а у имеющихся на 5... 10 А и более эти значения тока довольно велики. Однако они обычно бывают ниже нормируемых и, кроме того, несколько разнятся при различной полярности напряжения. Схема несложного устройства для проверки симисторов показана на рис. 3. Диоды КД522А можно заменить на два моста КД906А. Изменяя сопротивление переменных резисторов и отслеживая показания миллиамперметра, определяют удерживающий и ток управления проверяемого образца. Замеры следует производить при обеих полярностях питающего напряжения.



Схема регулятора представлена на рис. 4, а диаграммы напряжений —на рис. 5.



Узел синхронизации с частотой сети состоит из транзистора VT1 и логического элемента DD1.1. Работу этого оригинального узла поясняют графики 1—3 на рис. 5. Длительность положительного им пульса на выходе DD1.1 зависит от соотношения сопротивлений резисторов R1 и R2 — увеличение сопротивления резистора R2 или уменьшениесопротивления резистора R1 увеличивает длительность импульса, и наоборот. При указанных номиналах она составляет примерно 0,9 мс. Положения фронта и спада импульса ограничивают пределы возможной установки угла регулирования, так как при напряжении высокого уровня на выходе DD1.1 выработка импульсов управления симисто-ром исключена. Конденсатор С2 устраняет влияние высокочастотных помех в зоне перемены полярности сетевого напряжения. Цепь R4C3 осуществляет начальную установку режимов, а также задерживает выработку импульсов управления на время установления напряжения питания микросхемы при включении регулятора в сеть.
Графики 4, 5 на рис. 5 поясняют организацию фазового регулирования с функцией плавного пуска. При установлении высокого уровня на выходе DD1.1 конденсатор С4 быстро разряжается через элементы VD1, R8, VD4, а при установлении низкого уровня — медленно заряжается через элементы С5, VD2, R8, R7. По мере зарядки конденсатора напряжение на резисторе R7 и соответственно на входе (вывод 6) элемента DD1.2 падает. Как только оно станет ниже порога переключения микросхемы, на выходе элемента DD1.2 низкий уровень сменится на высокий. По этому перепаду вырабатывается импульс управления симистором (см. графики 6—8 на рис. 5). Цепь R9C6 задерживает переключение инвертора DD1.3, а узел совпадения на элементе DD1.4 при наличии на обоих входах напряжения высокого уровня формирует на выходе импульс низкого уровня длительностью примерно 20 мкс. Эмиттер-ный повторитель VT2 преобразует импульс напряжения в импульс тока управления амплитудой примерно 70 мА, который подается на управляющий электрод симистора через токоограни-чительный резистор R14.
Процесс повторяется в каждом полупериоде стой лишь разницей, что напряжение на конденсаторе С5, от уровня которого начинается зарядка конденсатора С4, может изменяться. Это напряжение при включении регулятора в сеть равно нулю, а затем увеличивается подвоз-действием зарядного тока, протекающего через резистор R6 в периоды напряжения низкого уровня на выходе элемента DD1.1. Однако зарядка конденсатора С5 ограничена напряжением, которое снимается сдвижка переменного резистора R11 "Яркость".
С возрастанием напряжения на конденсаторе 05 переключение элемента DD 1.2 происходит быстрее за счет зарядки конденсатора С4 с повышенного уровня, и момент переключения смещается к началу полупериода. Если движок переменного резистора был установлен в положение максимальной яркости, после включения регулятора в сеть угол управления плавно меняется. Яркость лампы увеличивается от минимальной до максимальной. Если до включения регулятора в сеть движок переменного резистора находился в произвольном положении, то после включения яркость лампы плавно возрастает от минимальной до установленной движком. Длительность задержки включения лампы (плавного пуска) определяется в основном постоянной времени цепи R6C5 и может устанавливаться в достаточно широких пределах. Оптимальная задержка, не вызывающая зрительного раздражения, составляет примерно 0,3...0,5 с. В этом случае включение лампы почти не отличается от ее прямого включения в сеть. Плавный пуск сохраняется и при резком перемещении движка переменного резистора в сторону увеличения яркости. В этом случае диод VD3 закрывается и не влияет на цепь R6C5. Однако при перемещении движка в сторону снижения яркости напряжение на конденсаторе С5 быстро уменьшается, поскольку конденсатор разряжается через диод VD3 нанизкоомный делитель R10R11. Резисторы R10—R12 находятся в цепи постоянного тока, поэтому их можно вынести за пределы регулятора для дистанционного управления яркостью. Защитные резисторы R5, R8 ограничивают токи перезарядки конденсаторов С3,С4 через входы микросхемы.



Резисторы R10, R12 устанавливают пределы регулирования яркости. Диод VD7, токоограничительный резистор R15 и фильтрующий конденсатор С7 образуют вторичный источник питания, напряжение которого ограничено стабилитроном VD5. Фильтр L1L2C1 препятствует проникновению помех от регулятора в провода питающей сети. Предохранитель FU1 нужен для защиты симистора и регулятора при возникновении замыканий. Выключатель SA1 соединен с переменным резистором R11, поможет быть отдельным или совсем отсутствовать. Предложены два варианта исполнения регулятора — для светильника " Москва театральная" (рис. 6) и для настольной лампы или бра (рис. 7). Ручка на валу переменного резисто-ра регулировки яркости должнаобеспе-чивать изоляцию руки от вала в целях повышения электробезопасности.
При выборе деталей, особенно отличающихся от указываемых типов, нужно руководствоваться следующими рекомендациями. Переменный резистор регулировки яркости — с линейной характеристикой СПЗ-9а без выключателя и СПЗ-4вМ с выключателем. Если необходимо "растянуть" регулирование в зоне минимальной или максимальной яркости, можно выбрать переменный резистор с характеристикой В или Б. Если нет подходящего, можно использовать переменный резистор с большим сопротивлением — до десятков и сотен кОм. В этом случае необходимое сопротивление получают параллельным включением соответствующего резистора. Для установки в печатную плату выводы резистора СПЗ-9а формуют плоскогубцами в трубочки под разметку, а выводы резистора СПЗ-4вМ наращивают луженым проводом 0,8 мм.
Постоянные резисторы — МЛТ и аналогичных исполнений. Резистор R2 с учетом рабочего напряжения выбран мощностью 0,5 Вт, но может быть составлен из двух последовательно включенных резисторов меньшей мощности. Для уменьшения нагрева резистор R15 выбран мощностью 1 Вт. Конденсаторы С2—С6 — обязательно керамические (КМ). Оксидный конденсатор С7 — К53-4. Возможно использовать любые конденсаторы серии К53 или К52 подходящих габаритов. Не следует применять конденсаторы серии K50 из-за низкой стабильности и надежности. Конденсатор С1 — К73-17 (или К73-16) на номинальное напряжение 630 В. Диоды VD1—VD4 и VD6 — практически любые маломощные кремниевые выпрямительные или импульсные. Диод VD7 должен быть рассчитан на обратное напряжение не ниже 500 В. Стабилитрон VD5 может быть в металлос-теклянном или в стеклянном корпусе, а также иных типов с напряжением стабилизации 8...9 В.



Транзисторная сборка КТ118 (VT1) выбрана потому, что содержит в одном корпусе два транзистора структуры р-п-р. При ее отсутствии можно использовать маломощные кремниевые р-п-р транзисторы, у которых обратный ток коллектора не превышает 1 мкА при допустимом напряжении не ниже 15 В. Транзистор VT2 должен обеспечить большое усиление тока при малом напряжении в режиме насыщения, поэтому его следует выбрать из серий КТ209, КT502, КT313, КТ3107.
Вместо микросхемы К561ТЛ1 можно использовать К561ЛА7 с одновременной заменой резистора R15 на более низкоомный (33...47 кОм) и мощный (2 Вт). Симистор ТС106-10 применен как самый слаботочный и малогабаритный из имеющихся. Он должен быть рассчитан на напряжение не менее 500 В. Без изменений применим симистор ТС106-16. Возможно также использовать симисторы ТС112-10, ТС112-16 и КУ208Г (если их ток управления не превышает 60 мА), однако это потребует доработки печатной платы.
Для повышения надежности симистор снабжен пластинчатым теплоотво-дом из медной полосы шириной 10 и толщиной 1 мм. Длина полосы 30 (рис. 6) или 48 мм (рис. 7). Между си-мистором и теплоотводом нанесена теплопроводящая паста КПТ-8. Медь можно заменить на алюминий, а пасту — на консистентную смазку (литол, ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-221). В таком исполнении оптимальная нагрузка — лампа мощностью 40...60 Вт. При меньшей мощности лампы может потребоваться симистор с малым током удержания или придется ограничить пределы регулирования угла открывания симистора. При большей мощности лампы (симистор допускает ток до 10 А) необходимо увеличить размеры теплоот-вода и поставить более мощный фильтр.
В авторском варианте обмотки сетевого фильтра намотаны проводом ПЭВ диаметром 0,31 мм на феррито-вом кольце K1QX6X4.5 проницаемостью 1000 и содержат 45...55 витков. Размеры кольца и число витков могут быть изменены, важно лишь строго одинаковое число витков в обеих обмотках. Для обеспечения электропрочности фильтра острые грани кольца следует тщательно скруглить надфилем, после чего обмотать кольцо полоской кальки шириной 1,5...2 мм с клеем БФ-2 внахлест в 2...3 слоя. Обмотки на кольце следует мотать виток к витку в несколько слоев симметрично друг относительно друга с зазором между ними примерно 2 мм. Выводы обмоток отформовать под разметку в печатной плате, после чего пропитать фильтр в несколько приемов клеем. Выводы фильтра зачистить и залудить, а при монтаже надеть изоляционные трубки длиной 5 мм.
Предохранитель FU1 — ВП1-2, распаян на плате. Для облегчения замены предохранитель можно вынести за пределы регулятора.
В регуляторах с переменным резистором СПЗ-4вМ для подключения сети использованы параллельно включенные контактные группы его выключателя. И хотя разрывная мощность одной контактной группы невелика (не более 14 Вт), за счет мягкого пуска исключается бросок тока через контакты, что обеспечивает надежную их работу с лампой 40. ..60 Вт. При налаживании собранного регулятора следует замкнуть выводы конденсатора С5 и подборкой емкости конденсатора С4 или сопротивления резистора R7 установить напряжение на лампе, близкое к нулю. Резисторы R10, R12 временно заменяют переменными и с их помощью устанавливают пределы регулирования яркости. Использование подключенного к лампе осциллографа упрощает этот процесс. Измерив сопротивления переменных резисторов, в плату впаивают соответствующие постоянные резисторы. Мигание лампы в положении максимальной яркости, которое устраняется при замене лампы на более мощную, указывает на невключение си-мисторав одной из полуволн (диаграмма 2,а на рис. 2). В этом случае нужно применить экземпляр симистора с меньшим током удержания или же ограничить пределы регулирования увеличением длительности импульса синхронизации.
Мигание лампы в момент включения указывает на недостаточную емкость конденсатора С3. Однако нужно иметь в виду, что после отключения сети требуется несколько секунд на разрядку конденсаторов регулятора. Повторное включение ранее этого времени также вызовет мигание лампы. На практике же нет необходимости производить включение столь быстро после отключения. Однако если это потребуется, регулятор можно дополнить узлом (выделен штриховой рамкой), который при отключении сети осуществляет очень быструю разрядку конденсатора С5. Тем самым гарантируется плавный пуск при повторном включении сети с любой минимальной задержкой после отключения. Требования к транзисторам этого узла те же, что и для транзисторов синхронизации. Их можно объединить микросборкой КР198НТ5А (Б), содержащей пять транзисторов р-п-р в одном корпусе, с соответствующей доработкой печатной платы. Регулятор позволяет устанавливать сколь угодно малую яркость лампы, например для ночника. Правда, в таком режиме может проявляться недостаток, обусловленный простым устройством синхронизации импульсов запуска симистора с сетью. Так, мощные потребители электроэнергии при включении/отключении искажают форму сетевого напряжения. Сдвиг места перемены полярности сетевого напряжения может привести к сбою момента включения симистора в следующем полупериоде. Это проявляется кратковременным повышением яркости лампы. Такое явление не наблюдается при средней и большой яркости лампы и не свидетельствует о неисправности регулятора. При изготовлении и настройке регулятора опасность поражения электрическим током обусловлена как непосредственным включением в сеть, так и повышенными напряжениями на отдельных элементах устройства. Поэтому следует применять приемы безопасного ведения работ. Рабочее место должно быть надежно изолированно от сети. Заземление применяемого оборудования (паяльник, осциллограф, авометр и т. п.) не допускается, они также должны иметь качественную изоляцию от питающей сети. Подключение щупа прибора для замеров под током следует осуществлять только одной рукой. Любые изменения при настройке, проверке регулятора (перепайка проводов, деталей, подключение приборов и т. п.) производить только в отключенном от сети состоянии. Лучше всего для отключения пользоваться двухполюсной вилкой, вынимая ее из электророзетки. При установке изготовленных регуляторов особое внимание следует уделить изоляции оголенных токоведущих частей. Соединительные проводники лучше применять с качественной двойной изоляцией.

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

2004 г. Кузнецов Олег



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

   Rambler's Top100      
Электрик © 2002-2008 Oleg Kuznetsov