Компактний електронний регулятор, що дозволяє плавно і в досить широкому діапазоні змінювати яскравість світіння ниток ламп розжарювання, потужність побутового електронагрівача або швидкість обертання вала двигуна змінного струму, може змайструвати навіть не надто досвідчений радіоаматор. Адже в основі запропонованого пристрою лежить знайоме багатьом з публікацій попередніх аналогів і добре зарекомендувавше себе технічне рішення: на симісторі з економічним керуванням фазоімпульсним методом. До того ж принципову електричну схему доповнює ретельно розроблена топологія друкованої плати з конкретизацією розташування елементів монтажу. І радіодеталі в конструкції застосовані досить поширені.
Серед переваг слід також відзначити використання КМОП-мікросхем, що дозволяють знизити струм, споживаний системою керування в усіх режимах, до мінімальних 1,5 мА і тому — не відключати її повністю від мережі. А заміна типового тумблера малогабаритною кнопкою, розташованою разом із світлодіодним індикатором поблизу навантаження, підвищує зручність її ввімкнення-вимкнення.
Звісно, і це ще не ідеал. Не всі логічні елементи мікросхем опиняються задіяними в роботі. Невикористані входи доводиться з’єднувати з «загальним» проводом.
Майже вся схема живиться від джерела постійного струму, зібраного на VD1-VD3, С2, С4 і С5. Причому конденсатор С2 виконує роль гасного реактивного опору. Діоди VD1, VD2 утворюють двопівперіодний випрямляч, напругу якого підтримує на рівні 10 В стабілітрон VD3 і згладжує сумарна ємність С4 і С5. Конденсатор С4 шунтує в основному високочастотні перешкоди, що надходять від побутової електромережі, але не придушуються більш ємнісним «електролітом» — через властиву йому значну паразитну індуктивність.
Наступна особливість цього джерела живлення пов’язана безпосередньо з симісторами. Адже більшість таких характерних напівпровідникових приладів можна відкрити (за «плюсової» напруги на аноді) імпульсами будь-якої полярності, що подаються на керуючий електрод відносно катода, а за «мінусової» Ua — лише від’ємними. Тому позитивний вивід розглядуваного джерела живлення з’єднано не інакше як з катодом симістора, і на керуючому електроді формуватимуться від’ємні імпульси за напруги будь-якої полярності на аноді.
Для з’ясування суті, мабуть, не зайве нагадати, що фазоімпульсний метод дозволяє регулювати потужність у навантаженні зміною тієї частини півперіоду мережевої напруги, протягом якої симістор пропускає струм. Отже, для правильної роботи пристрою необхідно насамперед виділити початок кожного півперіоду (чому відповідає миттєва напруга в мережі, рівна або близька нулю), а потім протягом 10 мс (тривалість півперіоду мережевої напруги частотою 50 Гц) сформувати імпульс. І чим раніше відкриватимемо симістор, тим більша потужність виділятиметься на навантаженні.
Формувач імпульсів частотою 100 Гц зібрано на елементах VT1, VT2, R3, R4, R7. З появою позитивного півперіоду на верхньому (за схемою) мережевому проводі до емітерного переходу транзистора VT1 опиняється прикладеною напруга «відкриваючої» полярності. Напівпровідниковий триод справді стає відкритим, а його UK — близьким до Uэ. Падіння напруги на резисторі R3 наближається до 1 В відкритого емітерного переходу транзистора VT1, тому «зворотньозміщений» емітерний перехід транзистора VT2 не пробивається. За від’ємного півперіоду напівпровідникові триоди міняються ролями.
Резистор R4 обмежує струм через бази транзисторів. A R7, будучи колекторним навантаженням VT1 і VT2, задає нульовий потенціал на вході 1 логічного елемента DD1.1 (за закритих напівпровідникових триодів).
У моменти, коли Uмережі близько до нуля, струм через названі вище транзистори не тече, оскільки падіння напруги на резисторі R3 недостатнє для їх відкриття. Отже, UK опиняється рівним напрузі на мінусовому виводі джерела живлення. У підсумку отримують короткі від’ємні імпульси, що відповідають початку кожного півперіоду мережі.
У ввімкненому стані на вході 2 DD1.1 високий рівень напруги. Тому від’ємні імпульси, що надходять на перший вхід, інвертуються логічним елементом і через емітерний повторювач (транзистор VT5) заряджають конденсатор С8 практично до напруги джерела живлення.
Розряд — через ланцюг R8R9 і VT4. При зниженні напруги до порогової елементи DD1.2, DD1.3 перемикаються. «Спад», що надходить з елемента DD1.3, диференціюється ланцюгом C9R12 і вже у вигляді імпульсу тривалістю близько 12 мкс вмикає (через інвертор DD1.4 і транзистор VT6, що працює як підсилювач струму) симістор VS1.
Змінним резистором R9 регулюють тривалість розряду конденсатора С8, а отже, змінюють момент вмикання симістора і ефективну напругу на навантаженні. Ємність конденсатора С9 визначає саму тривалість імпульсу відкривання симістора, резистор R12 задає потенціал на вході логічного елемента DD1.4. Що стосується стабілітрона VD6, то він забезпечує надійний запуск пристрою.
На інверторі DD2.1 і тригері DD3.1 зібрано вузол ввімкнення — вимкнення регулятора. Від цього ж вузла йдуть керуючі сигнали на інші частини схеми. Транзистор VT4 служить для плавного ввімкнення навантаження, а елементи DD2.2, DD2.3 разом із VT7 і VD5 забезпечують підсвічування кнопки.
При первинному ввімкненні пристрою або після зникнення напруги мережі ланцюг C3R2 формує позитивний імпульс на вході R логічного елемента DD3.1, що встановлює його в нульовий стан, за якого навантаження вимкнене. Виконуючи функції Т-тригера, DD3.1 чутливо реагує на позитивні фронти напруги на вході С. При кожній появі такого фронту цей логічний елемент змінює свій стан на протилежний.
Ланцюг R1C1 придушує дребезг контактів, а вхідний до його складу резистор R1 задає потрібний потенціал на вході інвертора DD2.1. Натискання на будь-яку з кнопок SB викликає позитивний фронт напруги на виході цього елемента, перемикаючи тригер DD3 у одиничний стан. Сигнал високого рівня, що утворюється, йде на DD1.1, дозволяючи його роботу. При цьому створюються сприятливі умови для заряду конденсатора С6 до 10 В через резистор R6. Опір каналу транзистора VT4 плавно зменшується і через 5—7 с досягає свого мінімуму.
Але канал транзистора VT4 включено послідовно з резистором R9 у ланцюг розряду конденсатора С8, і з підвищенням напруги на затворі VT4 потужність у навантаженні плавно зростатиме до рівня, установленого резистором R9.
Резистор R10 створює мінімальне від’ємне зміщення на затворі для повного закриття регулятора за нульового опору резистора R9. Потреба в такому зміщенні обумовлена тим, що після ввімкнення пристрою не повинно залишатися часу на виникнення нештатної ситуації, коли навантаження ще обеструмлене, а конденсатор С7 за змінною напругою виконує роль шунта для резистора R10, виключаючи його з ланцюга розряду вищезгаданого С8.
Низький рівень з інверсного виходу тригера закриває VT3 і забороняє перемикання інверторів DD2.2, DD2.3. На базі транзистора VT7 зберігається високий рівень, і світлодіод VD5 не світиться.
Наступне натискання на будь-яку з кнопок SB знову перемикає тригер у нульовий стан. Логічний «0» з виходу 13 тригера заборонить перемикання елемента DD1.1, на його виході встановиться високий рівень. Отже, транзистор VT6 буде постійно відкритий, конденсатор С8 заряджений, а саме навантаження (наприклад, електролампа) обеструмлене. Логічна ж одиниця, що надходить з виходу 12 тригера через струмообмежувальний резистор R6, відкриє транзистор VT3, через який швидко розрядиться конденсатор С6, і це забезпечить підготовку пристрою до нового ввімкнення.
Високий рівень на входах 13 і 9 логічних елементів DD2.2, DD2.3 дозволить їм пропускати від’ємні імпульси з транзисторів VT1, VT2. Ці імпульси на короткий час відкривають транзистор VT7, і світлодіод загоряється. Резистор R13 обмежує середній струм через VD5 (щоб не перевантажувати джерело живлення, інакше видавана ним напруга почне падати).
Практично весь саморобний регулятор (за винятком роз’ємів, плавкого запобіжника, симістора і світлодіода) змонтовано на друкованій платі з односторонньо фольгованого склотекстоліту.
Транзистори VT1, VT2, VT7 можуть бути малопотужними кремнієвими, але обов’язково структури p-n-p, з коефіцієнтом передачі за струмом понад 100. Майже ті самі вимоги й до вибору VT3, VT6, окрім самої структури. Тут вона n-p-n. Як VT5 прийнятний напівпровідниковий триод серії КТ201 (з будь-яким буквеним індексом наприкінці). Можна використовувати й кремнієві малопотужні транзистори структури n-p-n, обезпечивши таку заміну ввімкненням VD4 (на рисунку це виділено штриховим контуром). Діод захистить емітерний перехід від пробою зворотною напругою, яка з’являється після закриття транзистора VT5. На місці VT4 однаково добре працюють усі польові транзистори серії КП305.
Не дуже суворі критерії й при підборі інших радіодеталей. Стабілітрон VT3 тут не є винятком — підійде будь-який із напругою стабілізації 10 В. Діоди з серій КД509, КД510, КД522. Конденсатори: С5 типу К50 — 24, К50 – 29; С6, С7 – К53; С3 – будь-який оксидний; С4, С9 — кремнієві; С1, С2, С8 — металоплівкові типів К70 — К78 (причому у С2 розрахункова робоча напруга — не менше 250 В). Змінний резистор — будь-якого типу, його корпус з метою екранування з’єднують з «плюсовим» проводом ланцюга живлення. Постійні резистори — типу С2 — 33Н, МЛТ. Що стосується плавкого запобіжника FU1, то він, звісно, повинен відповідати струму конкретного навантаження.
Налагодження пристрою зводиться до підбору резистора R10 за такою методикою (викладається стисло).
Вивід 2 елемента DD 1.1 тимчасово від’єднують від ланцюга і підключають до виводу 1. Встановивши замість R10 змінний резистор номіналом 100 кОм, зменшують його опір до нуля. Вмикають симісторний регулятор у мережу і хвилину-дві чекають, поки через «малоїємнісний» С2 не зарядиться до номінальної напруги 10 В електролітичний конденсатор С5.
Контролюючи за осцилографом форму імпульсів у навантаженні, збільшують опір змінного резистора — заміни R10 доти, доки симістор не перестане відкриватися. Потім кілька разів вмикають-вимикають навантаження, досягаючи наявними органами регулювання, щоб транзистор VT4, спрацьовуючи належним чином, надійно закривав VS1. Після цього змінний резистор замінюють постійним і відновлюють з’єднання виводу 2 DD1.1 згідно зі схемою.
Практика показує: установкою і підбором резистора R11 можна досягти того, що максимальному опору резистора R9, який працює як реостат, відповідатиме нульова напруга на навантаженні. А щоб при повному ввімкненні навантаження досягти мінімізації падіння напруги на симісторі, його треба відкривати після початку півперіоду якомога швидше. Отже, формувач імпульсів переходу мережевої напруги через нуль повинен видавати досить короткі імпульси. Для їх мінімізації слід збільшувати опір резистора R3 і підбирати R7. Іти ж шляхом зниження номіналу R4 небажано — це енерговитрати.
І ще. При налагодженні і практичному використанні симісторного регулятора не можна забувати, що з підключенням пристрою до мережі все, у тому числі й змінний резистор, опиняється під її високою напругою. А зі змінним струмом 220 В не жартують, навіть якщо корпус електронної саморобки виконано з якісного ізоляційного матеріалу.
«Моделист-конструктор» № 2’99, А. РУДЄНКО, м. Харків