СИМИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР

Компактный электронный регулятор, позволяющий плавно и в достаточно широком диапазоне изменять яркость свечения нитей ламп накаливания, мощность бытового электронагревателя или скорость вращения вала у двигателя переменного тока, может смастерить даже не слишком опытный радиолюбитель. Ведь в основе предлагаемого устройства лежит знакомое многим по публикациям предыдущих аналогов и хорошо зарекомендовавшее себя техническое решение: на симисторе с экономичным управлением по фазоимпульсному методу. К тому же принципиальную электрическую схему дополняет обстоятельно разработанная топология печатной платы с конкретизацией расположения элементов монтажа. Да и радиодетали в конструкции применены довольно распространенные.

Среди достоинств следует также отметить использование КМОП-микросхем, позволяющих снизить ток, потребляемый системой управления во всех режимах, до минимальных 1,5 мА и потому —не отключать полностью ее от сети. А замена типового тумблера малогабаритной кнопкой, располагаемой вместе со светодиодным индикатором поблизости от нагрузки, повышает удобство ее включения-выключения.

Разумеется, и это еще не идеал. Не все логические элементы микросхем оказываются задействованными в работе. Неиспользуемые входы приходится соединять с «общим» проводом.

Почти вся схема питается от источника постоянного тока, собранного на VD1-VD3, С2, С4 и С5. Причем конденсатор С2 выполняет роль гасящего реактивного сопротивления. Диоды VD1, VD2 образуют двухполупериодный выпрямитель, напряжение которого поддерживается на уровне 10 В стабилитроном \/D3 и сглаживается суммарной емкостью С4 и С5. Конденсатор С4 шунтирует в основном высокочастотные помехи, поступающие от бытовой электросети, но не подавляемые большеемкостным «электролитом» из — за свойственной ему значительной паразитной индуктивности.

Следующая особенность данного источника электропитания связана непосредственно с симистора-ми. Ведь большинство столь характерных полупроводниковых приборов можно открыть (при «плюсовом» напряжении на аноде) импульсами любой полярности, подаваемыми на управляющий электрод относительно катода, а при «минусовом» Uа — только отрицательными. Поэтому положительный вывод у рассматриваемого источника питания соединен не иначе как с катодом симистора, и на управляющем электроде будут формироваться отрицательные импульсы при напряжении любой полярности на аноде.

Для уяснения сути нелишне, думается, напомнить о том, что фазоимпульсный метод позволяет регулировать мощность в нагрузке изменением той части полупериода сетевого напряжения, в течение которой симистор пропускает ток. Значит, для правильной работы устройства необходимо прежде всего выделить начало каждого полу-периода (чему соответствует мгновенное напряжение в сети, равное или близкое нулю), а затем в течение 10 мс (длительность полупериода сетевого напряжения частотой 50 Гц) сформировать импульс. И чем раньше будем открывать симистор, тем большая мощность станет выделяться на нагрузке.

Формирователь импульсов частотой 100 Гц собран на элементах VT1, \/Т2, R3, R4, R7. С появлением положительного полупериода на верхнем (по схеме) сетевом проводе к эмиттерному переходу транзистора \/Т1 оказывается приложенным напряжение «открывающей» полярности. Полупроводниковый триод действительно становится открытым, а его Uк — близким к Uэ. Падение напряжения на резисторе R3 приближается к 1 В открытого эмиттерного перехода транзистора VТ1, поэтому «обратносмещенный» эмиттерный переход транзистора \/Т2 не пробивается. При отрицательном полупериоде полупроводниковые триоды меняются ролями.

Резистор R4 ограничивает ток через базы транзисторов. А R7,являясь коллекторной нагрузкой \/Т1 и VT2, задает нулевой потенциал на входе 1 логического элемента DD1.1 (при закрытых полупроводниковых триодах).

Принципиальная электрическая схема самодельного устройства (символ « 1 »применен для условного обозначения «общего» провода, заземлять который в предлагаемом техническом решении категорически запрещено).

Топология печатной платы (а) и расположение деталей (б) при монтаже.

В моменты, когда Uсети близко к нулю, ток через названные выше транзисторы не течет, так как падение напряжения на резисторе R3 недостаточно для их отпирания. Значит, Uк оказывается равным напряжению на минусовом выводе источника питания. В итоге получают короткие отрицательные импульсы, соответствующие началу каждого полупериода сети.

Во включенном состоянии на входе 2 DD1.1 высокий уровень напряжения. Поэтому отрицательные импульсы, поступающие на первый вход, инвертируются логическим элементом и через эмиттерный повторитель (транзистор \/Т5) заряжают конденсатор С8 практически до напряжения источника питания.

Разряд —через цепочку R8R9 и \/Т4. При снижении напряжения до порогового элементы DD1.2, DD1.3 переключаются. «Спад», поступая с элемента DD1.3, дифференцируется цепью С9R12 и уже в виде импульса длительностью около 12 мкс включает (через инвертор DD1.4 и транзистор \/Т6, работающий как усилитель тока) симистор VS1.

Переменным резистором R9 регулируют длительность разряда конденсатора С8, а значит, изменяют момент включения симистора и эффективное напряжение на нагрузке. Емкость конденсатора С9 определяет саму длительность импульса открывания симистора, резистор R12 задает потенциал на входе логического элемента DD1.4. Что касается стабилитрона VD6, то он обеспечивает надежный запуск устройства.

На инверторе DD2.1 и триггере DD3.1 собран узел включения — выключения регулятора. От этого же узла идут управляющие сигналы на другие части схемы. Транзистор VT4 служит для плавного включения нагрузки, а элементы DD2.2, DD2.3 совместно с VT7 и VD5 обеспечивают подсветку кнопки.

При первоначальном включении устройства или после пропадания напряжения сети цепочка C3R2 формирует положительный импульс на входе R логического элемента DD3.1, устанавливающий его в нулевое состояние, при котором нагрузка выключена. Выполняя функции Т-триггера, DD3.1 чутко реагирует на положительные перепады напряжения на входе С. При каждом появлении такого перепада данный логический элемент изменяет свое состояние на противоположное.

Цепочка R1C1 подавляет дребезг контактов, а входящий в ее состав резистор R1 задает нужный потенциал на входе инвертора DD2.1. Нажатие же на любую из кнопок SB вызывает положительный перепад напряжения на выходе данного элемента, переключая триггер DD3 в единичное состояние. Получающийся сигнал высокого уровня уходит на DD1.1, разрешая его работу. При этом создаются благоприятные условия для заряда конденсатора С6 до 10 В через резистор R6. Сопротивление канала транзистора VT4 плавно уменьшается и через 5—7 с достигает своего минимума.

Но канал транзистора VT4 включен последовательно с резистором R9 в цепь разряда конденсатора С8, и с повышением напряжения на затворе VT4 мощность в нагрузке будет плавно возрастать до уровня, установленного резистором R9.

Резистор R10 создает минимальное отрицательное смещение на затворе для полного запирания регулятора при нулевом сопротивлении резистора R9. Необходимость такого напряжения смещения обусловлена тем, что после включения устройства не должно оставаться времени на возникновение нештатной ситуации, когда нагрузка все еще обесточена, а конденсатор С7 выполняет по переменному напряжению роль шунта для резистора R10, исключая его из цепи разряда вышеназванного С8.

Низкий уровень с инверсного выхода триггера закрывает VT3 и запрещает переключение инверторов DD2.2, DD2.3. На баэе транзистора VT7 сохраняется высокий уровень, и светодиод VD5 не горит.

Следующее нажатие на любую из кнопок SB снова переключает триггер в нулевое состояние. Логический «0» с выхода 13 триггера запретит переключение элемента DD1.1, на его выходе установится высокий уровень. Следовательно, транзистор VT6 будет постоянно открыт, конденсатор С8 заряжен, а сама нагрузка (например, электролампа) обесточена. Логическая же единица, поступая с выхода 12 триггера через токоограничительный резистор R6, откроет транзистор VT3, через который быстро разрядится конденсатор С6, и это обеспечит подготовку устройства к новому включению.

Высокий уровень на входах 13 и 9 логических элементов DD2.2, DD2.3 позволит им пропускать отрицательные импульсы с транзисторов VT1, VT2. Эти импульсы открывают на короткое время транзистор VT7, и светодиод загорается. Резистор R13 ограничивает средний ток через VD5 (чтобы не перегружать источник питания, иначе выдаваемое им напряжение начнет падать).

Практически весь самодельный регулятор (за исключением разъемов, плавкого предохранителя, симистора и светодиода) смонтирован на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстолита.

Транзисторы VT1, VT2, VT7 могут быть маломощными кремниевыми, но обязательно структуры р-п-р, с коэффициентом передачи по току более 100. Почти те же требования и к выбору VT3, VT6, кроме самой структуры. Она здесь п-p-n. В качестве VT5 приемлем полупроводниковый триод серии КТ201 (с любым буквенным индексом в конце). Можно использовать и кремниевые маломощные транзисторы структуры n-p-п, обезопасив такую замену включением VD4 (на рисунке это выделено штриховым контуром). Диод защитит эмиттерный переход от пробоя обратным напряжением, которое появляется после закрывания транзистора VT5. На месте VT4 одинаково хорошо работают все полевые транзисторы серии КП305.

Не очень строги критерии и при подборе других радиодеталей. Стабилитрон VT3 не является здесь исключением — подойдет любой с напряжением стабилизации 10 В. Диоды из серий КД509, КД510, КД522. Конденсаторы: С5 типа К50 — 24, К50 — 29; С6, С7 — К53; СЗ — любой оксидный; С4, С9 — кремниевые; С1, С2, С8 — металлопленочные типов К70 — К78 (причем у С2 расчетное рабочее напряжение — не менее 250 В). Переменный резистор — любого типа, его корпус в целях экранирования соединяют с «плюсовым» проводом цепи питания. Постоянные резисторы — типа С2 — 33Н, МЛТ. Что касается плавкого предохранителя FU1, то он, конечно же, должен соответствовать току конкретной нагрузки.

Отладка устройства сводится к подбору резистора R10 по следующей методике (излагается конспективно).

Вывод 2 элемента DD1.1 временно отсоединяют от цепи и подключают к выводу 1. Установив вместо R10 переменный резистор номиналом 100 кОм, уменьшают его сопротивление до нуля. Включают симисторный регулятор в сеть и минуту-другую ждут, пока через «малоемкостный» С2 не зарядится до номинального напряжения 10В электролитический конденсатор С5.

Контролируя по осциллографу форму импульсов в нагрузке, увеличивают сопротивление переменного резистора — замены R10 до тех пор, пока симистор не перестает открываться. Затем несколько раз включают-выключают нагрузку, добиваясь имеющимися органами регулировки, чтобы транзистор \/Т4, срабатывая должным образом, надежно запирал VS1. После этого переменный резистор заменяют постоянным и восстанавливают соединение вывода 2 DD1.1 согласно схеме.

Практика показывает: установкой и подбором резистора R11 можно достичь того, что максимальному сопротивлению резистора R9, работающего как реостат, будет соответствовать нулевое напряжение на нагрузке. А чтобы при полном включении нагрузки добиться минимизации падения напряжения на симисторе, его надо открывать после начала полупериода как можно быстрее. Значит, формирователь импульсов перехода сетевого напряжения через нуль должен вырабатывать достаточно короткие импульсы. Для их минимизации следует увеличивать сопротивление резистора R3 и подбирать R7. Идти же по пути снижения номинала R4 нежелательно — это энергорасточительство.

И еще. При налаживании и практическом использовании симисторного регулятора нельзя забывать, что с подключением устройства к сети все, в том числе и переменный резистор, оказывается под ее высоким напряжением. А с переменным током 220 В не шутят, даже если корпус электронной самоделки выполнен из добротного изоляционного материала.

А. РУДЕНКО, г. Харьков