Простой регулятор мощности

Предлагаемое устройство предназначено для регулирования мощности в нагрузке, обладающей большой инерционностью. Способ регулирования — изменение числа периодов подаваемого на нагрузку питающего напряжения, причём в любом положении органа управления число полупериодов остается чётным, что исключает появление постоянной составляющей потребляемого тока. Это позволяет подключать нагрузку значительной мощности. Коммутация нагрузки производится в моменты перехода сетевого напряжения через ноль, благодаря чему значительно снижаются импульсные помехи, характерные для распространённых фазовых регуляторов.



Схема предлагаемого устройства изображена на рисунке. Оно содержит формирователь ступенчато нарастающего напряжения на микросхеме DD1, два компаратора на ОУ микросхемы DA1 и мощный ключ на встречно-параллельно включённых тиристорах VS1 и VS2, работой которого управляет оптопара U1.

Питается устройство от бестранс-форматорного источника с балластным конденсатором С1. Резистор R1 ограничивает на безопасном для диодного моста VD2—VD5 уровне импульс тока, возникающий при включении устройства в сеть, чем повышается надёжность. Ограниченное по амплитуде балластным конденсатором С1 и выпрямленное диодным мостом VD2—VD5 напряжение стабилизируется цепью HL1VD6 на уровне 9...9,5 В. Такое включение светодиода, сигнализирующего о включении регулятора в сеть, позволило "сэкономить" несколько миллиампер выходного тока маломощного блока питания. Конденсатор С2 отфильтровывает низкочастотную составляющую выпрямленного напряжения, СЗ уменьшает высокочастотные составляющие и коммутационные помехи, возникающие при работе компараторов и цифровой микросхемы, чем предотвращает возможные сбои при работе устройства.

На ОУ DA1.1 выполнен формирователь тактовых импульсов. Резисторы R2, R3 выполняют ещё одну функцию — через них разряжается конденсатор С1 после отключения от сети, чем повышается электробезопасность устройства. Стабилитрон VD1 ограничивает амплитуду напряжения на резисторе R3 на безопасном для ОУ DA1.1 уровне.

Устройство работает следующим образом. При включении в сеть на резисторе R3 образуются импульсы напряжения частотой 50 Гц. Компаратор DA1.1 превращает их в следующие с периодом 0,02 с прямоугольные, которые поступают на счётный вход шестиразрядного двоичного счётчика DD1. На его выходе 1 импульсы имеют форму меандра (т. е. их скважность равна 2) и период следования 0,04 с. На каждом последующем выходе счётчика период следования импульсов возрастает в два раза.
Микросхема DD1 преобразует число поступивших импульсов в шестиразрядный двоичный код. Максимальный коэффициент счёта равен 64, и цикл регулирования составляет 0,02x64 = 1,28 с, при этом переключение счётчика происходит в моменты, когда напряжение питающей сети близко к нулю. Резистивная матрица типа R—2R на резисторах R6—R17 преобразует код в напряжение, в результате чего на её выходе формируется возрастающее напряжение, имеющее 64 ступени и синхронизированное с напряжением сети.

Это напряжение поступает на неинвертирующий вход компаратора, выполненного на ОУ DA1.2, а на его инвертирующий вход подаётся образцовое
напряжение с движка переменного резистора R19, служащего регулятором мощности. Пока напряжение на инвертирующем входе больше, чем на неинвертирующем, на выходе компаратора присутствует низкий уровень — светят светодиоды HL2 и HL1, при этом оптоси-мистор U1.2 открывает тиристоры VS1 и VS2, и на нагрузку, подключённую к розетке XS1, подаётся сетевое напряжение. При равенстве напряжений на входах компаратор переключается — светодиод HL2 и излучающий диод U1.1 выключаются, нагрузка отключается от сети. Изменяя уровень образцового напряжения резистором R19, можно регулировать порог переключения компаратора DA1.2, изменяя, таким образом, число периодов, в течение которых нагрузка подключается к сети в каждом цикле регулирования. По продолжительности вспышек светодиода HL2 можно судить об уровне выходной мощности.

К деталям особых требований не предъявляется. Конденсатор С1 — плёночный помехоподавляющий (заменим двумя включёнными последовательно конденсаторами К73-17 ёмкостью 0,47мк с номинальным напряжением 630 В), С2 — оксидный импортный, СЗ — керамический любого типа. Резисторы R1 и R2 — МЛТ-0,5. Резисторы такой мощности рассеяния выбраны из соображений электрической прочности, так как к ним прикладывается амплитудное напряжение сети, т. е. свыше 300 В (допустимое напряжение у резисторов меньшей мощности — 250 В). Остальные резисторы — любых типа и мощности рассеяния. Переменный резистор R19 — проволочный ППЗ-40 (выбран из соображений повышенной долговечности и стабильности), но можно применить и непроволочный, например, СП или СПО сопротивлением 15...51 кОм.

Стабилитроны VD1 и VD6 могут быть любого типа (первый с напряжением стабилизации в пределах 3...6 В, а второй — 6...7,5 В). Светодиоды HL1 и HL2 — любые красного или зелёного цвета свечения (важно, чтобы их прямое падение напряжения не превышало 1,7...2 В). Симистор оптопары U1 должен включаться при токе через излучающий диод не более 10 мА, а допускаемое напряжение на закрытом симисторе должно быть не менее 400 В. Этим требованиям отвечают приборы МОС3042, МОС3043, МОС3062, МОС3063, МОС3082, МОС3083. Два тиристора в цепи можно заменить симистором, включённым по одной из схем, неоднократно опубликованных в журнале "Радио", но это потребует более эффективного теплоотвода.

Максимальная мощность нагрузки описываемого регулятора — 4 кВт, поэтому тиристоры установлены на пластинчатых теплоотводах с площадью охлаждающей поверхности 150 см2 каждый.

Устройство смонтировано на фрагменте универсальной макетной платы размерами 70x35 мм и вместе с теплоотводами закреплено на гетинаксовой пластине толщиной 2 мм. В качестве корпуса использована тщательно промытая канистра из-под автомобильной охлаждающей жидкости "Тосол" ёмкостью 4 л. На одной из её боковых стенок установлены розетка, светодиоды и переменный резистор, а в остальных просверлены около 200 отверстий диаметром 3 мм для вентиляции. Получилось недорогое, лёгкое, экономичное и надёжное устройство, востребованное в быту.

Источник: журнал "Радио" №10, 2014 г.