Как сделать регулятор мощности на симисторе своими руками

Регулятор мощности на симисторе необходим чтобы управлять самыми различными электрическими приборами, начиная от пылесоса, заканчивая самыми сложными промышленными устройствами. Симистор является одной из разновидностью тиристора, который имеет нелинейные физические параметры. Главным отличием является в том, что у них присутствует двухсторонняя проводимость.

В этой публикации будет рассмотрено строение регулятора мощности, как и для чего он нужен, как используется. Дополнением послужат подробные видеоматериалы и полезный файл по электротехнике, описывающий данное устройство подробным образом.

Принцип работы

Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.

Делаем своими руками

На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.

Схема прибора

Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный. Основные компоненты:

Ток, протекающий через потенциометр R2 и, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.

Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2. Дополнительная цепь из диодов VD1 и D2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.

Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт. Используемые элементы:

Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору. Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.

За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Сборка

Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:

1. Определить параметры прибора, на который будет работать разрабатываемое устройство. К параметрам относятся: количество фаз (1 или 3), необходимость точной регулировки выходной мощности, входное напряжение в вольтах и номинальный ток в амперах.
2. Выбрать тип устройства (аналоговый или цифровой), произвести подбор элементов по мощности нагрузки. Можно проверить своё решение в одной из программ для моделирования электрических цепей – Electronics Workbench, CircuitMaker или их онлайн аналогах EasyEDA, CircuitSims или любой другой на ваш выбор.
3. Рассчитать тепловыделение по следующей формуле: падение напряжения на симисторе (около 2 В) умножить на номинальный ток в амперах. Точные значения падения напряжения в открытом состоянии и номинальный пропускаемый ток указаны в характеристиках симистора. Получаем рассеиваемую мощность в ваттах. Подобрать по рассчитанной мощности радиатор.
4. Закупить необходимые электронные компоненты, радиатор и печатную плату.
5. Произвести разводку контактных дорожек на плате и подготовить площадки для установки элементов. Предусмотреть крепление на плате для симистора и радиатора.
6. Установить элементы на плату при помощи пайки. Если нет возможности подготовить печатную плату, то можно использовать для соединения компонентов навесной монтаж, используя короткие провода. При сборке особое внимание уделить полярности подключения диодов и симистора. Если на них нет маркировки выводов, то прозвонить их при помощи цифрового мультиметра или «аркашки».
7. Проверить собранную схему мультиметром в режиме сопротивления. Полученное изделие должно соответствовать изначальному проекту.
8. Надёжно закрепить симистор на радиатор. Между симистором и радиатором не забыть проложить изолирующую теплопередающую прокладку. Скрепляющий винт надёжно заизолировать.
9. Поместить собранную схему в пластиковый корпус.
10. Вспомнить о том, что на выводах элементов присутствует опасное напряжение.
11. Выкрутить потенциометр на минимум и произвести пробное включение. Измерить напряжение мультиметром на выходе регулятора. Плавно поворачивая ручку потенциометра следить за изменением напряжения на выходе.
12. Если результат устраивает, то можно подключать нагрузку к выходу регулятора. В противном случае необходимо произвести регулировки мощности.

Регулировка мощности

Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.

Принцип работы регулятора

Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.

[stextbox id=’info’]Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля. [/stextbox]

Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.

Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной. Форма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%. При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.

Варианты схем регулятора

Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой. Обозначения:

При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.

Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника. К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.

Схема регулятора с обратной связью

Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:

1. Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
2. Отслеживать изменения напряжения на электромоторе и, в зависимости от этого, увеличивать или уменьшать «открытый» режим полупроводникового ключа.

Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.

Регулятор мощности с обратной связью

Обозначения:

• Резисторы: R1 – 18 кОм (2 Вт); R2 – 330 кОм; R3 – 180 Ом; R4 и R5– 3,3 кОм; R6 – необходимо подбирать, как это делается будет описано ниже; R7 – 7,5 кОм; R8 – 220 кОм; R9 – 47 кОм; R10 – 100 кОм; R11 – 180 кОм; R12 – 100 кОм; R13 – 22 кОм.
• Конденсаторы: С1 – 22 мкФ х 50 В; С2 – 15 нФ; С3 – 4,7 мкФ х 50 В; С4 – 150 нФ; С5 – 100 нФ; С6 – 1 мкФ х 50 В..
• Диоды D1 – 1N4007; D2 – любой индикаторный светодиод на 20 мА.
• Симистор Т1 – BTA24-800.
• Микросхема – U2010B.

Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):

• А – При перегрузке включается светодиод D2, сигнализирующий о перегрузке, после чего двигатель снижает обороты до минимальных. Для выхода из режима необходимо отключить и включить прибор.
• В – При перегрузке включается светодиод D2, мотор переводится на работу с минимальными оборотами. Для выхода из режима необходимо снять нагрузку с электродвигателя.
• С – Режим индикации перегрузки.

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R6, оно вычисляется, в зависимости от мощности, электромотора по следующей формуле: . Например, если нам необходимо управлять двигателем мощностью 1500 Вт, то расчет будет следующим: 0,25/ (1500 / 240) = 0,04 Ом. Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.

[stextbox id=’info’]Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.[/stextbox]

Регулятор для индуктивной нагрузки

Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.

Существует два варианта решения проблемы:

1. Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
2. Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.

Простой регулятор мощности устройства своими руками

Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками. Регулятор напряжения – это специализированный электротехнический прибор, предназначенный для плавного изменения или настройки напряжения, питающего электрическое устройство.

[stextbox id=’alert’]Важно помнить, что приборы этого типа предназначены для изменения и настройки питающего напряжения, а не тока. Ток регулируется полезной нагрузкой![/stextbox]

Важное по теме: Как прозвонить транзистор.

Проще ли купить диммер

Они уменьшают его величину, а соответственно, и потребляемую мощность. По законам Джоуля-Ленца и Ома для электрической цепи. Эффективное регулирование мощности нагрузки обеспечивают специальные технические решения. А любая схема регулятора мощности содержит полупроводниковый коммутатор. Кто желает поскорее обрести возможность гибкого управления своими электроприборами, может легко купить простой регулятор мощности. Им является диммер. Разнообразные модели этого устройства продаются в торговых сетях.

Очень удобен такой регулятор на даче. Он будет замечательным дополнением к маленькому кипятильнику или одно-, двухконфорочной электроплитке. Теперь в ходе приготовления еды не будет подгорания и слишком сильного кипения.

[stextbox id=’info’]Покупая регулятор мощности, обязательно удостоверьтесь в его соответствии решаемым задачам. Он должен быть мощнее управляемого электрооборудования. Большинство моделей диммеров рассчитано на обслуживание квартирного освещения. По этой причине они в основном регулируют мощность до 300 Вт.[/stextbox]

Не нашел в магазине — сделай сам

Чтобы приобрести более мощную модель, придется поискать ее в торговых сетях. Альтернативное решение — просмотр схем регуляторов мощности, изготовление своими руками выбранной модели. Чтобы помочь нашим читателям выбрать оптимальную схему, более подробно опишем главные особенности этих устройств. Регулятор на полупроводниковом ключе может быть выполнен на

Регулятор мощности, схема которого содержит любой из перечисленных полупроводниковых ключей, всегда пребывает в одном из двух состояний. Он либо максимально ограничивает ток (отключает нагрузку), либо почти не оказывает сопротивления (подключает нагрузку).

При срабатывании сопротивление переходов полупроводниковых приборов быстро изменяется по величине. Каждому его значению соответствует определенная электрическая мощность. Она выделяется как тепло и носит название динамических потерь. Чем быстрее срабатывает прибор (отключает или подключает нагрузку), тем меньше динамические потери.

Наиболее быстродействующими ключами являются транзисторы. Но они и включаются и выключаются при любой ненулевой величине напряжения. Если эти процессы происходят вблизи его амплитудного значения, динамические потери будут максимально большими. Обычный тиристорный ключ отличается тем, что выключается без управляющего сигнала при переходе тока нагрузки через ноль. Хотя его включение происходит при той же амплитуде переменного напряжения, что и у транзисторов.

Выбераем триак

По этой причине схема тиристора, а особенно симисторного регулятора мощности получается более простой, экономичной и надежной. Особенно если он быстро включается. У регулятора мощности на симисторе кроме него нет больше полупроводниковых приборов, по которым течет ток нагрузки. А у регуляторов с остальными ключами такими приборами обязательно будут выпрямительные диоды, в том числе встроенные.

Поэтому рекомендуем остановиться на симисторах — схемы с ними есть во многих справочниках, популярных журналах а, следовательно, и в интернете. Их легко найти и выбрать что-либо приемлемое. Первый регулятор мощности на симисторе КУ208Г используется уже много лет, начиная с 80-х годов прошлого века.

Современные симисторы в регуляторах

Устаревший дизайн КУ208Г не всегда удобен для размещения в корпусе регулятора. Новая модель BT136 600E, у которой параметры включения и регулировки примерно такие же, позволит собрать более компактный симисторный регулятор мощности. С этой моделью из-за ее компактности получается значительно больше вариантов конструкции, из которых можно выбирать.

Это интересно! Все о полупроводниковых диодах.

Если самостоятельно изготавливается регулятор мощности, схема которого взята из какого-либо источника, обязательно сравните максимальные токи используемого ключа и нагрузки. В этих целях разделите паспортную мощность нагрузки на 220. Для надежной работы регулятора мощности на симисторе и не только полученное значение тока должно составлять 0,7 от номинального значения ключа, используемого в схеме. Поэтому для многих бытовых электроприборов КУ208Г окажется слабоват. Но его можно заменить более мощным, например ВТА 12.

Этот ключ со своими 12 амперами сможет надежно регулировать нагрузку до 1848 Вт с непродолжительным увеличением ее до 2000 Вт. Собранный регулятор мощности на симисторе этой модели, например, можно применить для управления электрическим чайником. Один из таких вариантов показан далее.

рекомендуем обратить внимание на безопасность управления. Она обеспечивается гальванической развязкой в схеме регулятора. Ключ надежно развязывается от управляющего элемента, к которому прикасается пользователь. Для этого применяются схемотехнические решения с трансформаторами, а также оптронные электронные приборы. Примеры подобных схем показаны далее. В этих схемах управляющий элемент является частью контроллера.

Эффективный, надежный и безопасный регулятор мощности добавит многим вашим электроприборам новые потребительские свойства. За вами остается правильный выбор устройства при покупке или изготовление их без ошибок своими руками по выбранной схеме.

Заключение

В статье описаны все особенности регулятора мощности на симисторе. Более подробно можно узнать в материале Строение регулятора. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. Также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.morflot.su

www.domelectrik.ru

www.tokarmaster.ru

www.oldoctober.com