Схемы регуляторов мощности (диммеров) на симисторах

Принцип работы симисторных регуляторов мощности (напряжения) в цепях
переменного тока.

Что такое симистор, принцип его работы, а также справочные характеристики некоторых популярных приборов мы с Вами внимательно рассмотрели на странице &nbspСсылка на страницу.
Там же мы отметили, что симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью вытеснил его из электроцепей переменного тока.

Вспомним пройденный материал.
Отличительной чертой симистора является то, что при подаче на его управляющий электрод тока (напряжения), прибор переходит в проводящее состояние, замыкая нагрузку, причём проводит ток, независимо от полярности, приложенного к нагрузке напряжения.
Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью «анодного» напряжения (т.е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой — в момент прохождения отрицательной).

Итак. Важным плюсом симисторных схем в электроцепях переменного тока является отсутствие выпрямительных устройств, и двухполюсность напряжения в нагрузке, что даёт возможность подключать их, помимо всего прочего, как трансформаторам, так и электродвигателям переменного тока.

Познакомимся с расхожими схемами симисторных регуляторов.

Для начала давайте рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности с фазово-импульсным управлением, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 1200 Вт.

Рис.1

При замене симистора на другой, с большей величиной допустимого тока, мощность нагрузки можно увеличивать практически неограниченно.

А теперь — как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора — тем больше сдвиг по фазе.

Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.1 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях и обмотках трансформаторов), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.1 показана синим цветом).

В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

Существуют и различные модификации приведённой выше простейшей схемы диммера.

Рис.2

Дополнительная цепочка R3 C2 (Рис.2 слева) призвана увеличить максимально достижимый фазовый сдвиг между сетевым напряжением и напряжением, поступающим на левый вывод динистора, что в свою очередь позволяет производить более глубокую регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

На схеме, приведённой на Рис.2 справа, цепь, образованная диодами D1, D2 и резистором R1, обеспечивает плавность регулировки при минимальной выходной мощности. Без неё характеристика управления регулятором имеет гистерезис, что проявляется в скачкообразном повышении регулируемой мощности от нуля до 3…5% от максимальной.
Диодно-резисторная цепочка разряжает конденсатор при переходе сетевого напряжения от отрицательной к положительной полуволне и, тем самым, устраняет эффект скачкообразного начального увеличения мощности в нагрузке.

Изредка можно встретить устройства, в которых регулировка мощности производится посредством отдельной схемы, которая формирует импульсы с регулируемой длительностью для управления симистором.

Такие диммеры обладают значительно лучшими характеристиками, чем представленные выше, однако обратной стороной медали является повышенная сложность устройств и необходимость наличия отдельного источника питания схемы. Исключения составляют устройства, выполненные на специализированных ИМС. Примером такой микросхемы является фазовый регулятор КР1182ПМ1.

Рис.3

Применение КР1182ПМ1 в регуляторах мощности (Рис.3) позволяет добиваться как хорошей повторяемости, так и широкого диапазона перестройки и высокой температурной стабильности.

А если уж мы решили заморачиваться созданием отдельной схемы формирования управляющих импульсов, то имеет смысл отказаться от фазово-импульсного метода управления, и обратиться в сторону регуляторов мощности, работающих по принципу пропускания через нагрузку определённого целого числа периодов сетевого напряжения в единицу времени.
При таком способе регулирования появляется возможность включения симистора вблизи точки пересечения сетевым переменным напряжением нулевого потенциала, вследствие чего радикально снижается уровень помех, вносимых в электросеть.

Освещение таким диммером не запитаешь ввиду заметного мерцания, а вот для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов — самое то.

Рис.4

Данная схема (Рис.4) перекочевала со страницы https://www.radiokot.ru/circuit/power/converter/50/ и представляет собой модификацию регулятора мощности, описанного в журнале Радио, 2009, № 9, с. 40–41 «В.Молчанов Симисторный регулятор мощности». Вот, что пишет автор.

«Устройство предназначено для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов, работающих от сети переменного тока 220 В.

Кроме снижения уровня коммутационных помех, в регуляторе реализован принцип пропускания в нагрузку целого числа периодов сетевого напряжения. При таком способе регулирования с высокой точностью обеспечивается отсутствие постоянной составляющей напряжения на нагрузке, вследствие чего дополнительно снижается уровень искажений, вносимых в электросеть. Это особенно важно в случае мощной нагрузки.
Максимальная мощность нагрузки, подключаемой к регулятору, составляет 1 кВт. Потребляемый регулятором ток от сети не превышает 4 мА (действующее значение), типовое потребление – 3,5 мА.

На микросхеме DD1 и элементах R1, C1, VD1, VD2 выполнен синхронизированный с сетью генератор прямоугольных импульсов. Период импульсов, вырабатываемых генератором, составляет около 1,3 с. Резистор R1 регулирует скважность импульсов. Элементы DD1.1, DD1.2 и DD1.3, DD1.4 включены как два RS‑триггера, на входы которых (выводы 1 и 9 микросхемы) через делитель R7R6 поступает часть сетевого напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 выполняют функцию мощного инвертора логических сигналов для управления симистором. Питание устройства осуществляется через параметрический стабилизатор, в котором задействованы балластный резистор R7, стабилитрон VD3 и сглаживающий конденсатор C3. Когда напряжение на верхнем по схеме сетевом выводе относительно нижнего отрицательное, стабилитрон VD3 пропускает ток в прямом направлении, когда положительное – ограничивает напряжение на выводах 1 и 9 микросхемы DD1 на уровне 10 В. Ток, проходящий через эти выводы и внутренние защитные диоды микросхемы, заряжает конденсатор C3 до напряжения около 9,2 В, которое служит для питания низковольтной части устройства. Использование защитных диодов микросхемы не приводит к её защёлкиванию, поскольку амплитудное значение тока через резистор R7 ограничено и составляет около 5 мА.

Во время проверки регулятора мощности удобно в качестве нагрузки подключить лампу накаливания (желательно на 100 Вт или более). Устройство обычно не нуждается в налаживании, но если оказалось, что симистор VS1 открывается ненадёжно (лампа в нагрузке не включается или мерцает), можно попробовать уменьшить сопротивление резистора R4 или подобрать экземпляр симистора с меньшим током открывания. Резистор R4 позволяет выставить мгновенное напряжение сети, при котором происходит открывание симистора. Это напряжение может быть рассчитано по формуле Uпор ≈ Uпит∙R7/(2∙R4), где Uпит ≈ 9,2 В – напряжение на конденсаторе C3, сопротивления резисторов R6 и R7 должны быть равны. Уменьшение сопротивления резистора R4 обеспечивает более надёжное открывание симистора, но увеличивает уровень создаваемых помех, поэтому делать его сопротивление менее 30 кОм нежелательно».

И конечно, было бы совсем неправильно не упомянуть о таком важном представителе симисторного семейства, как — оптосимистор.
Оптосимистор включается посредством освещения полупроводникового слоя и представляет собой комбинацию оптоизлучателя и симистора в одном корпусе. Преимущество — простая однополярная схема управления и гальваническая изоляция цепей управления от фаз сетевого напряжения.

Оптосимисторы могут коммутировать нагрузку как сами (Рис.5),

Рис.5

так и управлять более мощными симисторами (Рис.6).

Рис.6

За счёт полной гальванической развязки управляющих цепей оптосимистора, основное его предназначение — это управление мощностью нагрузки при помощи логических устройств или микроконтроллеров с собственными цепями питания.

Рис.7

В качестве примера на Рис.7 приведена схема регулятора мощности паяльника.
Вот, как работу этой схемы описывает уважаемый Falconist на странице сайта http://forum.cxem.net .

«Оптосимистор серии МОС204х/306х/308х содержит внутри себя схему пересечения питающим напряжением нуля, т.е. открывается только в точке нулевого значения синусоидального сетевого напряжения, независимо от момента поступления управляющего напряжения на его светодиод. Тем самым обеспечивается ключевой режим подключения нагрузки, с практически полным отсутствием ВЧ помех, проникающих в сеть 220 В. Поэтому его замена на оптосимисторы МОС302х/305х, не имеющих такой схемы, крайне нежелательна, т.к. порочит сам принцип беспомехового регулирования.
Конденсатор С1 является балластным реактивным сопротивлением. Ток, который он пропускает совместно с подключенным параллельно ему резистором R1,приближенно составляет 16 мА. Данный ток используется для питания таймера DA1 и инфракрасного светодиода оптрона DA2».

Работа таймера, формирующего управляющий сигнал для оптотиристора, аналогична работе DD1 на Рис.4 и сводится к формированию импульсов с изменяемой скважностью.

 

Симисторный регулятор мощности своими руками

В статье мы расскажем о том, как изготовить симисторный регулятор мощности своими руками. Что такое симистор? Это прибор, построенный на кристалле полупроводника. У него аж 5 p-n-переходов, ток может проходить как в прямом, так и в обратном направлении. Но эти элементы широкое распространение в современной промышленной аппаратуре не получили, так как у них высокая чувствительность к помехам электромагнитной природы.

Также они не могут работать при высокой частоте тока, выделяют большое количество тепла, если производят коммутацию больших нагрузок. Поэтому в промышленной аппаратуре используют IGBT-транзисторы и тиристоры. Но симисторы тоже не стоит упускать из виду – они дешевые, у них маленький размер, а самое главное – высокий ресурс. Поэтому они могут использоваться там, где перечисленные выше недостатки не играют большой роли.

Как работает симистор?

Встретить сегодня симисторный регулятор мощности можно в любой бытовой технике – в болгарках, шуруповертах, стиральных машинках и пылесосах. Другими словами, везде, где есть необходимость в плавной регулировке частоты вращения двигателя.

Регулятор работает как электронный ключ – он закрывается и открывается с определенной частотой, которая задается схемой управления. Когда прибор отпирается, полуволна напряжения проходит через него. Следовательно, к нагрузке поступает небольшая часть минимальной мощности.

Можно ли сделать самому?

Многие радиолюбители изготавливают своими руками симисторные регуляторы мощности для различных целей. С его помощью можно контролировать нагрев жала паяльника. Но, к сожалению, на рынке готовые устройства встретить можно, но довольно редко.

У них низкая стоимость, но часто приборы не отвечают требованиям, которые предъявляются потребителями. Именно поэтому намного проще, оказывается, не купить готовый регулятор, а сделать его самостоятельно. В этом случае вы сможете учесть все нюансы использования прибора.

Схема регулятора

Давайте рассмотрим простой симисторный регулятор мощности, который можно использовать с любой нагрузкой. Управление фазово-импульсное, все компоненты традиционные для таких конструкций. Нужно применять такие элементы:

1. Непосредственно симистор, рассчитанный на напряжение 400 В и ток 10 А.
2. Динистор с порогом открывания 32 В.
3. Для регулировки мощности используется переменный резистор.

Ток, который протекает через переменный резистор и сопротивление, заряжает конденсатор с каждой полуволной. Как только конденсатор накопит заряд и напряжение между его пластинами будет 32 В, откроется динистор. При этом конденсатор разряжается через него и сопротивление на управляющий вход симистора. Последний при этом открывается, чтобы ток прошел к нагрузке.

Чтобы изменить длительность импульсов, нужно подобрать переменный резистор и пороговое напряжение динистора (но это постоянная величина). Поэтому придется «играть» с сопротивлением переменного резистора. В нагрузке мощность оказывается прямо пропорциональна сопротивлению переменного резистора. Диоды и постоянный резистор использовать не обязательно, цепочка предназначена для того, чтобы обеспечить точность и плавность регулировки мощности.

Как работает устройство

Ток, который протекает через динистор, ограничивается постоянным резистором. Именно с его помощью происходит корректировка длины импульса. С помощью предохранителя происходит защита цепи от КЗ. Нужно отметить тот факт, что динистор в каждой полуволне открывается на один и тот же угол.

Поэтому выпрямление протекающего тока не происходит, можно подключить даже индуктивную нагрузку к выходу. Поэтому использоваться может симисторный регулятор мощности и для трансформатора. Для того чтобы подобрать симисторы, нужно учесть, что для нагрузки в 200 Вт необходимо, чтобы ток был равен 1 А.

В схеме используются такие элементы:

1. Динистор типа DB3.
2. Симисторы типа ВТ136-600, ТС106-10-4 и аналогичные с номиналом по току до 12 А.
3. Полупроводниковые диоды германиевые – 1N4007.
4. Электролитический конденсатор на напряжение более 250 В, емкость 0,47 мкФ.
5. Переменный резистор 100 кОм, постоянные – от 270 Ом до 1,6 кОм (подбираются опытным путем).

Особенности схемы регулятора

Такая схема является самой распространенной, но можно встретить и небольшие ее вариации. Например, иногда вместо динистора ставят диодный мостик. В некоторых схемах встречается цепочка из емкости и сопротивления для подавления помех. Существуют и более современные конструкции, в которых применяется схема управления на микроконтроллерах. При использовании такой схемы вы получаете точную регулировку тока и напряжения в нагрузке, но реализовать ее сложнее.

Подготовительные работы

Для того чтобы собрать симисторный регулятор мощности для электродвигателя, вам достаточно придерживаться такой последовательности:

1. Сначала нужно определить характеристики прибора, который будет подключаться к регулятору. К характеристикам можно отнести: число фаз (либо 3, либо 1), необходимость в точной корректировке мощности, напряжение и ток.
2. Теперь нужно выбрать конкретный тип устройства – цифровой или аналоговый. После этого можно осуществить выбор компонентов по мощности нагрузки. В принципе, для моделирования можно использовать специально программное обеспечение.
3. Рассчитайте тепловыделение. Для этого умножьте два параметра – номинальный ток (в Амперах) и падение напряжения на симисторе (в Вольтах). Все эти данные можно найти среди характеристик элемента. В итоге вы получите мощность рассеяния, выраженную в Ваттах. Исходя из этого значения, нужно выбрать радиатор и кулер (при необходимости).
4. Закупите все необходимые элементы или подготовьте их, если они у вас имеются.

Теперь можно приступить непосредственно к сборке устройства.

Сборка регулятора

Прежде чем собрать по схеме симисторный регулятор мощности, нужно выполнить ряд действий:

1. Осуществите разводку дорожек на плате и подготовьте площадки, на которых нужно установить элементы. Заранее предусмотрите места для монтажа симистора и радиатора.
2. Установите все элементы на плате и припаяйте их. В том случае, если у вас нет возможности сделать печатную плату, допускается использование навесного монтажа. Провода, которыми соединяются все элементы, должны быть как можно короче.
3. Обратите внимание на то, соблюдена ли полярность при подключении симистора и диодов. Если отсутствует маркировка, прозвоните элементы мультиметром.
4. Проверьте схему, используя мультиметр в режиме измерения сопротивления.
5. Закрепите на радиаторе симистор, желательно использовать термопасту для лучшего контакта поверхностей.
6. Всю схему можно установить в пластиковом корпусе.
7. Установите в крайнее левое положение ручку переменного резистора и включите прибор.
8. Измерьте значение напряжения на выходе устройства. Если вращать ручку резистора, напряжение должно плавно увеличиваться.

Как видите, изготовленный своими руками симисторный регулятор мощности – это полезная конструкция, которую можно использовать в быту практически без ограничений. Ремонт этого устройства копеечный, так как себестоимость довольно низкая.

симисторный и тиристорный, системы индикации и схемы

Практически в любом радиоэлектронном устройстве в большинстве случаев присутствует регулировка по мощности. За примерами далеко ходить не надо: это электроплиты, кипятильники, паяльные станции, различные регуляторы вращения двигателей в устройствах.

Способов, по которым можно собрать регулятор напряжения своими руками 220 В, в Сети полно. В большинстве случаев это схемы на симисторах или тиристорах. Тиристор, в отличие от симистора, более распространённый радиоэлемент, и схемы на его основе встречаются гораздо чаще. Разберём разные варианты исполнения, основанные на обоих полупроводниковых элементах.

Регулятор мощности на симисторе

Симистор, по большому счету, — это частный случай тиристора, пропускающий ток в обе стороны, при условии, что он выше тока удержания. Один из его недостатков — это плохая работа на высоких частотах. Поэтому его часто используют в низкочастотных сетях. Для построения регулятора мощности на основе обычной сети 220 В, 50 Гц он вполне подходит.

Регулятор напряжения на симисторе используется в обычных бытовых приборах, где нужна регулировка. Схема регулятора мощности на симисторе выглядит следующим образом.

• Пр. 1 — предохранитель (выбирается в зависимости от требуемой мощности).
• R3 — токоограничительный резистор — служит для того чтобы при нулевом сопротивлении потенциометра остальные элементы не выгорели.
• R2 — потенциометр, подстроечный резистор, которым и осуществляется регулировка.
• C1 — основной конденсатор, заряд которого до определённого уровня отпирает динистор, вместе с R2 и R3 образует RC-цепь
• VD3 — динистор, открытие которого управляет симистором.
• VD4 — симистор — главный элемент, производящий коммутацию и, соответственно, регулировку.

Основная работа возложена на динистор и симистор. Сетевое напряжение подаётся на RC-цепочку, в которой установлен потенциометр, им в итоге и регулируется мощность. Производя регулировку сопротивления, мы меняем время зарядки конденсатора и тем самым порог включения динистора, который, в свою очередь, включает симистор. Демпферная RC-цепь, подключённая параллельно симистору, служит для сглаживания помех на выходе, а также при реактивной нагрузке (двигатель или индуктивность) предохраняет симистор от скачков высокого обратного напряжения.

Симистор включается, когда ток, проходящий через динистор, превышает ток удержания (справочный параметр). Отключается, соответственно, когда ток становится меньше тока удержания. Проводимость в обе стороны позволяет настроить более плавную регулировку, чем это возможно, например, на одном тиристоре, при этом используется минимум элементов.

Осциллограмма регулировки мощности представлена ниже. Из неё видно, что после включения симистора оставшаяся полуволна поступает на нагрузку и при достижении 0, когда ток удержания уменьшается до такой степени, что симистор отключается. Во втором «отрицательном» полупериоде происходит тот же процесс, т. к. симистор обладает проводимостью в обе стороны.

Напряжение на тиристоре

Для начала разберёмся, чем отличается тиристор от симистора. Тиристор содержит в себе 3 p-n перехода, а симистор — 5 p-n переходов. Не углубляясь в детали, если говорить простым языком, симистор обладает проводимостью в обоих направлениях, а тиристор — только в одном. Графические обозначения элементов показаны на рисунке. Из графики это хорошо видно.

Принцип работы абсолютно такой же. На чём и построена регулировка по мощности в любой схеме. Рассмотрим несколько схем регулятора на тиристорах. Первая простейшая схема, которая в основе повторяет схему на симисторе, описанную выше. Вторая и третья — с применением логики, схемы, которые более качественно гасят помехи, создаваемые в сети переключением тиристоров.

Простая схема

Простая схема фазового регулирования на тиристоре представлена ниже.

Единственное её отличие от схемы на симисторе — это то, что регулировка происходит только положительной полуволны сетевого напряжения. Времязадающая RC-цепь путём регулирования величины сопротивления потенциометра регулирует величину отпирания, тем самым задавая выходную мощность, поступающую на нагрузку. На осциллограмме это выглядит следующим образом.

Из осциллограммы видно, что регулировка мощности идёт путём ограничения напряжения поступающего на нагрузку. Образно говоря, регулировка заключается в ограничении поступления сетевого напряжения на выход. Регулируя время заряда конденсатора путём изменения переменного сопротивления (потенциометра). Чем выше сопротивление, тем дольше происходит заряд конденсатора и тем меньше мощности будет передано на нагрузку. Физика процесса подробно описана в предыдущей схеме. В этом случае она ничем особым не отличается.

С генератором на основе логики

Второй вариант более сложный. В связи с тем, что процессы коммутации на тиристорах вызывают большие помехи в сети, это плохо влияет на элементы, установленные на нагрузке. Особенно если на нагрузке находится сложный прибор с тонкими настройками и большим количеством микросхем.

Такая реализация тиристорного регулятора мощности своими руками подойдёт для активных нагрузок, например, паяльник или любые устройства нагрева. На входе стоит выпрямительный мост, поэтому обе волны сетевого напряжения будут положительными. Обратите внимание, что при такой схеме для питания микросхем понадобиться дополнительный источник постоянного напряжения +9 В. Осциллограмма из-за наличия выпрямительного моста будет выглядеть следующим образом.

Обе полуволны теперь будут положительными из-за влияния выпрямительного моста. Если для реактивных нагрузок (двигатели и другие индуктивные нагрузки) наличие разно полярных сигналов предпочтительно, то для активных — положительное значение мощности крайне важно. Отключение тиристора происходит также при приближении полуволны к нулю ток удержания подаёт до определённого значения и тиристор запирается.

На основе транзистора КТ117

Наличие дополнительного источника постоянного напряжение может вызвать затруднения, если его нет, и вовсе придётся городить дополнительную схему. Если дополнительного источника у вас нет, то можно воспользоваться следующей схемой, в ней генератор сигналов на управляющий вывод тиристора собран на обычном транзисторе. Есть схемы на основе генераторов, построенных на комплементарных парах, но они более сложные, и здесь мы их рассматривать не будем.

В данной схеме генератор построен на двухбазовом транзисторе КТ117, который при таком применении будет генерировать управляющие импульсы с периодичностью, задаваемой подстроечным резистором R6. На схеме ещё реализована система индикации на базе светодиода HL1.

• VD1-VD4 — диодный мост, выпрямляющий обе полуволны и позволяющий выполнять более плавную регулировку мощности.
• EL1 — лампа накаливания — представлена вроде нагрузки, но может быть любой другой прибор.
• FU1 — предохранитель, в этом случае стоит на 10 А.
• R3, R4 — токоограничительные резисторы — нужны, чтобы не сжечь схему управления.
• VD5, VD6 — стабилитроны — выполняют роль стабилизации напряжения определённого уровня на эмиттере транзистора.
• VT1 — транзистор КТ117 — установлен должен быть именно с таким расположение базы №1 и базы №2, иначе схема будет не работоспособна.
• R6 — подстроечный резистор, определяющий момент, когда поступает импульс на управляющий вывод тиристора.
• VS1 — тиристор — элемент, обеспечивающий коммутацию.
• С2 — времязадающий конденсатор, определяющий период появления управляющего сигнала.

Остальные элементы играют незначительную роль и в основном служат для токоограничения и сглаживания импульсов. HL1 обеспечивает индикацию и сигнализирует только о том, что прибор подключён к сети и находится под напряжением.

Симисторный регулятор мощности с микроконтроллерным управлением / Habr

Однажды для одного небольшого домашнего проекта мне потребовался регулятор мощности, пригодный для регулировки скорости вращения электромотора переменного тока. В качестве основы использовалась вот такая плата на базе микроконтроллера STM32F103RBT6. Плата была выбрана как имеющая честный RS232 интерфейс и имеющая при этом минимум дополнительных компонентов. На плате отсутствует слот под литиевую батарейку для питания часов, но приживить его — дело пятнадцати минут.

Итак, начнём с теории. Все знакомы с так называемой широтно-импульсной модуляцией, позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД. Лишняя мощность в таком случае просто не будет потребляться, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла, как при линейном регулировании, представляющем собой не более чем усложнённый вариант реостата. Однако, по ряду причин такое управление, будучи выполненным «в лоб», не всегда подходит для переменного тока. Одна из них — бо́льшая схемотехническая сложность, поскольку требуется диодный мост для питания силовой части на MOSFET или IGBT транзисторах. Этих недостатков лишено симисторное управление, представляющее собой модификацию ШИМ.

Симистор (TRIAC в англоязычной литературе) — это полупроводниковый прибор, модификация тиристора, предназначенный для работы в качестве ключа, то есть он может быть либо открыт, либо закрыт и не имеет линейного режима работы. Основное отличие от тиристора — двусторонняя проводимость в открытом состоянии и (с некоторыми оговорками) независимость от полярности тока (тиристоры и симисторы управляются током, как и биполярные транзисторы) через управляющий электрод. Это позволяет легко использовать симистор в цепях переменного тока. Вторая особенность, общая с тиристорами, — это свойство сохранять проводимость при исчезновении управляющего тока. Закрывается симистор при отключении тока между основными электродами, то есть, когда переменный ток переходит через ноль. Побочным эффектом этого является уменьшение помех при отключении. Таким образом, для открывания симистора нам достаточно подать на управляющий электрод открывающий импульс небольшой, порядка десятков микросекунд, длительности, а закроется он сам в конце полупериода переменного тока.

Симисторное управление учитывает вышеперечисленные свойства этого прибора и заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Заштрихованная на рисунке часть — результат этой процедуры. Таким образом, на выходе вместо синусоиды мы будем иметь что-то, в известной степени напоминающее пилу:

Теперь наша задача — вовремя отпирать симистор. Эту задачу мы возложим на микроконтроллер. Приведённая ниже схема является результатом анализа имеющихся решений а также документации к оптронам. В частности, силовая часть взята из документации на симисторный оптрон производства Texas Instruments. Схема не лишена недостатков, один из которых — мощный проволочный резистор-печка, через который включён оптрон, детектирующий переход через ноль.

Как это работает? Рассмотрим рисунок.

На положительном полупериоде, когда ток через оптрон превышает некоторое пороговое значение, оптрон открывается и напряжение на входе микроконтроллера опускается практически до нуля (кривая «ZC» на рисунке). Когда же ток снова опускается ниже этого значения, на микроконтроллер снова поступает единица. Происходит это в моменты времени, отстоящие на dz от нуля тока. Это dz ощутимо, в моём случае составляет около 0.8 мс, и его необходимо учитывать. Это несложно: мы знаем период T и длительность импульса высокого уровня h, откуда dz = (h — T / 2) / 2. Таким образом, нам необходимо открывать симистор через dz + dP от переднего фронта сигнала с оптрона.

О фазовом сдвиге dP стоит поговорить отдельно. В случае c ШИМ постоянного тока среднее значение тока на выходе будет линейно зависеть от скважности управляющего сигнала. Но это лишь потому, что интеграл от константы даёт линейную зависимость. В нашем случае необходимо отталкиваться от значения интеграла синуса. Решение простого уравнения даёт нам искомую зависимость: для линейного изменения среднего значения тока необходимо менять фазовый сдвиг по закону арккосинуса, для чего достаточно ввести в управляющую программу LUT таблицу.

Всё, о чём я расскажу в дальнейшем, имеет прямое отношение к архитектуре микроконтроллеров серии STM32, в частности, к архитектуре их таймеров. Микроконтроллеры этой серии имеют разное число таймеров, в STM32F103RBT6 их семь, из которых четыре пригодны для захвата и генерации ШИМ. Таймеры можно каскадировать: для каждого таймера одно из внутренних событий (переполнение, сброс, изменение уровня на одном из входных или выходных каналов и т.д.; за подробностями отсылаю вас к документации) можно объявить выходным и направить его на другой таймер, назначив на него определённое действие: старт, стоп, сброс и т.д. Нам потребуются три таймера: один из них, работая в т.н. PWM input режиме, замеряет период входного сигнала и длительность импульса высокого уровня. По окончании измерения, после каждого периода генерируется прерывание. Одновременно с этим запускается связанный с этим событием таймер фазового сдвига, работающий в ждущем режиме. По событию переполнения этого таймера происходит принудительный сброс таймера, генерирующего выходной управляющий сигнал на симистор, таким образом, через каждый полный период переменного тока подстраивается фаза управляющего сигнала. Только первый таймер генерирует прерывание, и задача обработчика сводится к подстройке фазового сдвига (регистр ARR ждущего таймера) и периода ШИМ таймера (также регистр ARR) так, чтобы он всегда был равен половине периода переменного тока. Таким образом, всё управление происходит на аппаратном уровне и влияние программных задержек полностью исключается. Да, это можно было сделать и программно, но грех было не воспользоваться такой возможностью, как каскадируемые таймеры.

Выкладывать на обозрение код всего проекта я не вижу смысла, к тому же, он далёк от завершения. Приведу лишь фрагмент, содержащий описанный выше алгоритм. Он абсолютно независим от прочих частей и легко может быть портирован в другой проект на совместимом микроконтроллере.

И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии:

Регулятор мощности на симисторе BTA12-600

Сегодня я вам расскажу об очень полезной схеме, которая пригодится как в лаборатории, так и в хозяйстве. Устройство, о котором пойдет речь,  называется симисторный регулятор мощности. Регулятор можно применить для плавной регулировки яркостью освещения, температуры паяльника, оборотами электродвигателя (переменного тока). Мой вариант применения регулятора интересней, я плавно регулирую температуру нагрева тэна мощностью  1кВт в самогонном аппарате. Да-да, я занимаюсь этим благородным делом.

Схема имеет минимум элементов и заводится сразу. Мощность нагрузки для симисторного регулятора  определяется током симистора. Симистор BTA12-600 рассчитан  на ток 12 Ампер и напряжение 600 Вольт. Симистор нужно выбирать с запасом по току, я выбрал двукратный запас. Например, симистор BTA12-600 с оптимальным охлаждением может в штатном режиме пропускать через себя ток 8 Ампер. Если нужен регулятор мощнее, используйте симистор BTA16-600 или BTA24-600.

Работа схемы описана в статье «Диммер своими руками».

Рабочая температура кристалла симистора от -40 до +125 градусов Цельсия. Необходимо сделать хорошее охлаждение. У меня нагрузка 1кВт, соответственно ток нагрузки около 5А, радиатор   площадью 200см кв. греется от 85 до90 градусов  Цельсия при длительной работе (до 6ч). Планирую увеличить рабочую площадь радиатора, чтобы повысить надежность  устройства.

Симистор имеет управляющий вывод и два вывода, через которые проходит ток нагрузки. Эти два вывода можно менять местами ничего страшного не случиться.

Для безопасности (чтобы не щелкнуло током), симистор необходимо устанавливать на радиатор через диэлектрическую прокладку (полимерную или слюдяную) и диэлектрическую втулку.

Компоненты.

Резистор 4.7кОм мощностью 0,25Вт. Динистор с маркировкой DB3 , полярности не имеет, впаивать любой стороной. Конденсатор пленочный на 100нФ 400В полярности не имеет.

Светодиод любого цвета диаметром 3мм, обратное напряжение 5В, ток 25мА. Короче любой светодиод 3мм. Светодиод дает индикацию нагрузки, не пугайтесь, если при первом включении (естественно без нагрузки) он светиться не будет.

Первое включение необходимо производить кратковременно без нагрузки. Если все нормально, никакие элементы не греются, ничего не щелкнуло, тогда включаем  без нагрузки на 15 секунд. Далее цепляем лампу напряжением 220В и мощностью 60-200Вт, крутим ручку переменного резистора и наслаждаемся работой.

Для защиты я установил в разрыв сетевого провода (220В) предохранитель на 12А.

Собранный нами регулятор мощности на симисторе BTA12-600 можно применить для регулировки температуры паяльника (регулируя мощность), тем самым получив паяльную станцию для вашей мастерской.

Печатная плата регулятора мощности на симисторе BTA12-600 СКАЧАТЬ

Даташит на BTA12-600 СКАЧАТЬ

Похожие статьи

принцип работы, проверка и включение, схемы

Существенный недостаток тиристоров заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью. Избавиться от этого недостатка можно используя схему встречно-параллельного включения двух однотипных устройств или установив симистор. Давайте разберемся, что представляет собой этот полупроводниковый элемент, принцип его функционирования, особенности, а также сферу применения и способы проверки.

Что такое симистор?

Это один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходов, и как следствие этого, принципом работы (он будет описан ниже). Характерно, что в элементной базе некоторых стран данный тип считается самостоятельным полупроводниковым устройством. Эта незначительная путаница возникла вследствие регистрации двух патентов, на одно и то же изобретение.

Описание принципа работы и устройства

Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (см. А на рис. 1) .

Рис. 1. Схема на двух тиристорах, как эквивалент симистора, и его условно графическое обозначение

Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).

Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.

Рис. 2. Структурная схема симистора

Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене — р1-n2-p2-n3.

Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.

ВАХ симистора

Обозначение:

• А – закрытое состояние.
• В – открытое состояние.
• U_DRM (U_ПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
• U_RRM (U_ОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
• I_DRM (I_ПР) – допустимый уровень тока прямого включения
• I_RRM (I_ОБ) — допустимый уровень тока обратного включения.
• I_Н (I_УД) – значения тока удержания.

Особенности

Чтобы иметь полное представление о симметричных тринисторах, необходимо рассказать про их сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие факторы:

• относительно невысокая стоимость приборов;
• длительный срок эксплуатации;
• отсутствие механики (то есть подвижных контактов, которые являются источниками помех).

В число недостатков приборов входят следующие особенности:

• Необходимость отвода тепла, примерно из расчета 1-1,5 Вт на 1 А, например, при токе 15 А величина мощности рассеивания будет около 10-22 Вт, что потребует соответствующего радиатора. Для удобства крепления к нему у мощных устройств один из выводов имеет резьбу под гайку.

Симистор с креплением под радиатор

• Устройства подвержены влиянию переходных процессов, шумов и помех;
• Не поддерживаются высокие частоты переключения.

По последним двум пунктам необходимо дать небольшое пояснение. В случае высокой скорости коммутации велика вероятность самопроизвольной активации устройства. Помеха в виде броска напряжения также может привести к этому результату. В качестве защиты от помех рекомендуется шунтировать прибор RC цепью.

RC-цепочка для защиты симистора от помех

Помимо этого рекомендуется минимизировать длину проводов ведущих к управляемому выводу, или в качестве альтернативы использовать экранированные проводники. Также практикуется установка шунтирующего резистора между выводом T1 (TE1 или A1) и управляющим электродом.

Применение

Этот тип полупроводниковых элементов первоначально предназначался для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока. Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симметричных тринисторов существенно расширилась. Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например:

• зарядные устройства для автомобильных АКБ;
• бытовое компрессорное оборудования;
• различные виды электронагревательных устройств, начиная от электродуховок и заканчивая микроволновками;
• ручные электрические инструменты (шуроповерт, перфоратор и т.д.).

И это далеко не полный перечень.

Одно время были популярны простые электронные устройства, позволяющие плавно регулировать уровень освещения. К сожалению, диммеры на симметричных тринисторах не могут управлять энергосберегающими и светодиодными лампами, поэтому эти приборы сейчас не актуальны.

Как проверить работоспособность симистора?

В сети можно найти несколько способ, где описан процесс проверки при помощи мультиметра, те, кто описывал их, судя по всему, сами не пробовали ни один из вариантов. Чтобы не вводить в заблуждение, следует сразу заметить, что выполнить тестирование мультиметром не удастся, поскольку не хватит тока для открытия симметричного тринистора. Поэтому, у нас остается два варианта:

1. Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
2. Собрать специальную схему.

Алгоритм проверки омметром:

1. Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
2. Устанавливаем кратность на омметре х1.
3. Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
4. Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
5. Меняем полярность и повторяем тест с пункта 3 по 4.

Если в ходе проверки результат будет таким же, как описано в алгоритме, то с большой вероятностью можно констатировать, что устройство работоспособное.

Заметим, что проверяемую деталь не обязательно демонтировать, достаточно только отключить управляющий вывод (естественно, обесточив предварительно оборудование, где установлена деталь, вызывающая сомнение).

Необходимо заметить, что данным способом не всегда удается достоверно проверку, за исключением тестирования на «пробой», поэтому перейдем ко второму варианту и предложим две схемы для тестирования симметричных тринисторов.

Схему с лампочкой и батарейкой мы приводить не будем в виду того, что таких схем достаточно в сети, если вам интересен этот вариант, можете посмотреть его в публикации о тестировании тринисторов. Приведем пример более действенного устройства.

Схема простого тестера для симисторов

Обозначения:

• Резистор R1 – 51 Ом.
• Конденсаторы C1 и С2 – 1000 мкФ х 16 В.
• Диоды – 1N4007 или аналог, допускается установка диодного моста, например КЦ405.
• Лампочка HL – 12 В, 0,5А.

Можно использовать любой трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками на 12 Вольт.

Алгоритм проверки:

1. Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
2. Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
3. Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
4. Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
5. Производим переключение SA2, нажимаем SB1, затем снова меня ем положение SA2 и повторно жмем SB1. Индикатор включится, когда на затвор попадет минус.

Теперь рассмотрим еще одну схему, только универсальную, но также не особо сложную.

Схема для проверки тиристоров и симисторов

Обозначения:

• Резисторы: R1, R2 и R4 – 470 Ом; R3 и R5 – 1 кОм.
• Емкости: С1 и С2 – 100 мкФ х 10 В.
• Диоды: VD1, VD2, VD5 и VD6 – 2N4148; VD2 и VD3 – АЛ307.

В качестве источника питания используется батарейка на 9V, по типу Кроны.

Тестирование тринисторов производится следующим образом:

1. Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
2. Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
3. Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
4. Кратковременно жмем S2, светодиоды не должны загораться.

Если результат будет соответствовать вышеописанному, значит с тестируемым элементом все в порядке.

Теперь рассмотрим, как проверить с помощью собранной схемы симметричные тринисторы:

• Выполняем пункты 1-4.
• Нажимаем кнопку S1- загорается светодиод VD

То есть, при нажатии кнопок S1 или S2 будут загораться светодиоды VD1 или VD4, в зависимости от установленной полярности (положения переключателя S3).

Схема управления мощностью паяльника

В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.

Простой регулятор мощности для паяльника

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – 3,3 кОм, R3 – 20 кОм, R4 – 1 Мом.
• Емкости: С1 – 0,1 мкФ х 400В, С2 и С3 — 0,05 мкФ.
• Симметричный тринистор BTA41-600.

Приведенная схема настолько простая, что не требует настройки.

Теперь рассмотрим более изящный вариант управления мощностью паяльника.

Схема управления мощностью на базе фазового регулятора

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 680 Ом, R2 – 1,4 кОм, R3 — 1,2 кОм, R4 и R5 – 20 кОм (сдвоенное переменное сопротивление).
• Емкости: С1 и С2 – 1 мкФ х 16 В.
• Симметричный тринистор: VS1 – ВТ136.
• Микросхема фазового регулятора DA1 – KP1182 ПМ1.

Настройка схемы сводится к подбору следующих сопротивлений:

• R2 – с его помощью устанавливаем необходимую для работы минимальную температуру паяльника.
• R3 – номинал резистора позволяет задать температуру паяльника, когда он находится на подставке (срабатывает переключатель SA1),

Схема тиристорного регулятора мощности без помех

Для того, чтобы получить качественную и красивую пайку требуется правильно подобрать мощность паяльника и обеспечить определенную температуру его жала в зависимости от марки применяемого припоя. Предлагаю несколько схем самодельных тиристорных регуляторов температуры нагрева паяльника, которые с успехом заменят многие промышленные несравнимые по цене и сложности.

Внимание, нижеприведенные тиристорные схемы регуляторов температуры гальванически не развязаны с эклектической сетью и прикосновение к токоведущим элементам схемы может привести к поражению электрическим током!

Для регулировки температуры жала паяльника применяют паяльные станции, в которых в ручном или автоматическом режиме поддерживается оптимальная температура жала паяльника. Доступность паяльной станции для домашнего мастера ограничена высокой ценой. Для себя я вопрос по регулированию температуры решил, разработав и изготовив регулятор с ручной плавной регулировкой температуры. Схему можно доработать для автоматического поддержания температуры, но я не вижу в этом смысла, да и практика показала, вполне достаточно ручной регулировки, так как напряжение в сети стабильно и температура в помещении тоже.

Классическая тиристорная схема регулятора

Классическая тиристорная схема регулятора мощности паяльника не соответствовала одному из главных моих требований, отсутствию излучающих помех в питающую сеть и эфир. А для радиолюбителя такие помехи делают невозможным полноценно заниматься любимым делом. Если схему дополнить фильтром, то конструкция получится громоздкой. Но для многих случаев использования такая схема тиристорного регулятора может с успехом применяться, например, для регулировки яркости свечения ламп накаливания и нагревательных приборов мощностью 20-60вт. Поэтому я и решил представить эту схему.

Для того, что понять как работает схема, остановлюсь подробнее на принципе работы тиристора. Тиристор, это полупроводниковый прибор, который либо открыт, либо закрыт. чтобы его открыть, нужно на управляющий электрод подать положительное напряжение 2-5 В в зависимости от типа тиристора, относительно катода (на схеме обозначен k). После того, как тиристор открылся (сопротивление между анодом и катодом станет равно 0), закрыть его через управляющий электрод не возможно. Тиристор будет открыт до тех пор, пока напряжение между его анодом и катодом (на схеме обозначены a и k) не станет близким к нулевому значению. Вот так все просто.

Работает схема классического регулятора следующим образом. Сетевое напряжение переменного тока подается через нагрузку (лампочку накаливания или обмотку паяльника), на мостовую схему выпрямителя, выполненную на диодах VD1-VD4. Диодный мост преобразует переменное напряжение в постоянное, изменяющееся по синусоидальному закону (диаграмма 1). При нахождении среднего вывода резистора R1 в крайнем левом положении, его сопротивление равно 0 и когда напряжение в сети начинает увеличиваться, конденсатор С1 начинает заряжаться. Когда С1 зарядится до напряжения 2-5 В, через R2 ток пойдет на управляющий электрод VS1. Тиристор откроется, закоротит диодный мост и через нагрузку пойдет максимальный ток (верхняя диаграмма).

При повороте ручки переменного резистора R1, его сопротивление увеличится, ток заряда конденсатора С1 уменьшится и надо будет больше времени, чтобы напряжение на нем достигло 2-5 В, по этому тиристор уже откроется не сразу, а спустя некоторое время. Чем больше будет величина R1, тем больше будет время заряда С1, тиристор будет открываться позднее и получаемая мощность нагрузкой будет пропорционально меньше. Таким образом, вращением ручки переменного резистора, осуществляется управление температурой нагрева паяльника или яркостью свечения лампочки накаливания.

Выше приведена классическая схема тиристорного регулятора выполненная на тиристоре КУ202Н. Так как для управления этим тиристором нужен больший ток (по паспорту 100 мА, реальный около 20 мА), то уменьшены номиналы резисторов R1 и R2, а R3 исключен, а величина электролитического конденсатора увеличена. При повторении схемы может возникнуть необходимость увеличения номинала конденсатора С1 до 20 мкФ.

Простейшая тиристорная схема регулятора

Вот еще одна самая простая схема тиристорного регулятора мощности, упрощенный вариант классического регулятора. Количество деталей сведено к минимуму. Вместо четырех диодов VD1-VD4 используется один VD1. Принцип работы ее такой же, как и классической схемы. Отличаются схемы только тем, что регулировка в данной схеме регулятора температуры происходит только по положительному периоду сети, а отрицательный период проходи через VD1 без изменений, поэтому мощность можно регулировать только в диапазоне от 50 до 100%. Для регулировки температуры нагрева жала паяльника большего и не требуется. Если диод VD1 исключить, то диапазон регулировки мощности станет от 0 до 50%.

Если в разрыв цепи от R1 и R2 добавить динистор, например КН102А, то электролитический конденсатор С1 можно будет заменить на обыкновенный емкостью 0,1 mF. Тиристоры для выше приведенных схем подойдут, КУ103В, КУ201К (Л), КУ202К (Л, М, Н), рассчитанные на прямое напряжение более 300 В. Диоды тоже практически любые, рассчитанные на обратное напряжение не менее 300 В.

Приведенные выше схемы тиристорных регуляторов мощности с успехом можно применять для регулирования яркости свечения светильников, в которых установлены лампочки накаливания. Регулировать яркость свечения светильников, в которых установлены энергосберегающие или