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 на симисторе
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.
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.
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.
Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В
Обозначения:
- Резисторы: R1- 470 кОм , R2 – 10 кОм,
- Конденсатор С1 – 0,1 мкФ х 400 В.
- Диоды: D1 – 1N4007, D2 – любой индикаторный светодиод 2,10-2,40 V 20 мА.
- Динистор DN1 – DB3.
- Симистор DN2 – КУ208Г, можно установить более мощный аналог BTA16 600.
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:
- Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
- 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.
Таблица для подбора номиналов сопротивлений в зависимости от мощности двигателя
Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.
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:
- Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
- Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Схема регулятора мощности для индуктивной нагрузки
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
Осциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности
Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.
Простой регулятор мощности на симисторе своими руками
В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.
Самодельный регулятор мощности
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.
Часто необходимо понизить частоту вращения электродрели или иного электроинструмента с коллекторным двигателем переменного тока. В большинстве случаев регуляторы мощности хорошо управляют активной нагрузкой, тогда как регулирование реактивной нагрузки имеет свои особенности. Обычно используют или число-импульсный, или фазо-импульсный принцип регулирования.
Достаточно полно эти вопросы отражены в публикациях разных лет, например в [1. 3].
Предлагаемая схема обеспечивает регулирование с обратной связью по току коллекторного двигателя переменного тока, благодаря чему при увеличении нагрузки соответственно увеличивается крутящий момент на валу. Схема была реализована для привода швейной машины в производственных условиях. Для регулирования оборотов швейных машин применяют угольные (таблеточные) реостаты, которые весьма недолговечны. Регулятор, приведенный на рисунке, состоит из силового ключа на тринисторе VS1, выпрямительных вентилей VD1, VD2 и переменного резистора R2 в цепи управления. На выходе предусмотрен выпрямительный мост. Все элементы регулятора смонтированы на плате навесным монтажом и закрыты ударопрочным корпусом. Перегрева тринистора не наблюдалось, поэтому он установлен на монтажной стойке без теплоотвода.
Некоторую трудность представляет механический узел, передающий усилие от педали на ось потенциометра, но это преодолимо, если применить зубчатый сектор и шестерню.
Характерная черта работы регулятора — его обратная связь по нагрузке. При увеличении нагрузки увеличивается крутящий момент на валу двигателя. Благодаря этому машина легко проходит утолщения в виде швов, работает более плавно. Искрения на коллекторе не наблюдалось.
При использовании регулятора для более мощных двигателей необходимо подобрать по току выпрямительный мост и тринистор установить на радиатор.
1. Бастанов В.Г. 300 практических советов.— 1989.
2. Радио.— 1990.— N1.
3. Радиолюбитель. — 1996. —N12. РАДИОЛЮБИТЕЛЬ 12/97, с.21.
| C этой схемой также часто просматривают: |
Регулятор яркости освещения
Цифровой регулятор мощности
Регулятор сетевого напряжения
Регулятор мощности, не создающий помех
Простой регулятор мощности
ПЕРЕГОВОРНОЕ УСТРОЙСТВО ПО СЕТИ 220 В
ГОВОРЯЩИЕ ЧАСЫ
ФОТОРЕЛЕ НА СИМИСТОРЕ
Реле прикосновения
–>
Arduino
Аудио
В Вашу мастерскую
Видео
Для автомобиля
Для дома и быта
Для начинающих
Зарядные устройства
Измерительные приборы
Источники питания
Компьютер
Медицина и здоровье
Микроконтроллеры
Музыкантам
Опасные, но интересные конструкции
Охранные устройства
Программаторы
Радио и связь
Радиоуправление моделями
Световые эффекты
Связь по проводам и не только.
Телевидение
Телефония
Узлы цифровой электроники
Фототехника
Шпионская техника
| Реклама на KAZUS.RU |
| Последние поступления |
Автоматизация смывного бачка
Кухонный таймер
Прибор для поиска скрытой проводки на PIC12F629
Фотореле-таймер на микроконтроллере
Термометр на DS18B20
Часы с термометром дом-улица и таймером
Автомат полива для дачи и огорода
Стабилизация мощности тока электродной батареи на микроконтроллере
Большинство мировых производителей профессиональных угловых шлифовальных машинок (болгарок) таких как Bosch, Metabo, Makita, DeWalt и других используют два типа регуляторов оборотов с обратной связью.
С помощью таходатчика
На конце якоря мотора установлен кольцевой магнит с прорезью или срезом, а на плате регулятора установлена катушка индуктивности или датчик Холла. Такой регулятор обеспечивает максимально точную стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.
На основе измерения падения напряжения на электродвигателе
В этом случае измеряется падение напряжения на двигателе, и схема управления изменяет длительность открытия силового ключа. Такой регулятор, если он правильно настроен, обеспечивает также хорошую стабилизацию оборотов двигателя при изменении нагрузки.
Все промышленные регуляторы, собранные на микроконтроллерах, полностью залитые эпоксидной смолой и в итоге они не пригодны для ремонта, а цена за новый регулятор достаточно большая, и составляет примерно 20-30% от стоимости самого электроинструмента.
В поиске специализированных микросхем для решения данной задачи мне приглянулись регуляторы Phase Control фирмы Atmel. Например, простой вариант регулятора на микросхеме U2008B. Рассмотрим схему регулятора на ИМС U2008B приведенную на рис.1. В данном регуляторе можно использовать обратную связь по току или режим плавного пуска, однако в нём нет защиты от перегрузки. Если использовать плавный пуск тогда нужны только элементы С1, R4 и перемычку Х1 не ставим, а если нужна обратную связь — тогда все наоборот.
Так как ИMC U2008B не может одновременно работать в режиме плавного пуска и обратной связи, она не подходит для нашей задачи. На рис.2 показана схема регулятора на микросхеме U2010B, у которой есть обратная связь по току, защита от перегрузки и плавный старт одновременно. Светодиод D2 индицирует перегрузку электродвигателя. Переключатель SA1 «Mode» обеспечивает возможность выбора действий при перегрузке на двигателе в трех режимах: Положение А — индикация перегрузки и последующий сброс на минимальные обороты. Для восстановления рабочих оборотов, необходимо выключить инструмент.
Положение В — индикация перегрузки, последующий сброс на минимальные обороты, после снятие нагрузки с инструмента, восстанавливаются установленные обороты, т.е. происходит авто старт.
Положение С — только индикация перегрузки, без остановки двигателя и защиты.
Подбором ёмкости конденсатора СЗ от 1 до 10 мкФ можно изменять длительность и плавность пуска двигателя.
Настройка регулятора.
В техническом описании к ИМС U2010B в схеме подключения обозначено только падение напряжение на R6 в 250 мВ и не указано, каким именно должен быть этот резистор.
Рассчитать сопротивление R6 можно исходя из мощности двигателя по формуле:
где:
UR6 — напряжение на R6 (250 мВ),
Рдвиг — мощность двигателя,
UПИТ — напряжение питания сети.
Например, для двигателя мощностью 750 Вт рассчитываем: R6= 0,25/(750/220) = 0,07 Ом.
Номиналы резисторов R6 и R11, в зависимости от мощности электродвигателя, приведены в таблице.
| R11 Мощность, Вт | R6*, Ом | Нихром, D 1 мм | Нихром, D 0,8 мм | R11*, кОм |
| 250 | 0,22 | 30 | 19 | 180-270 |
| 300 | 0,18 | 27 | 17 | 180-220 |
| 550 | 0,1 | 25 | 16 | 180 |
| 700 | 0,08 | 20 | 14 | 160 |
| 850 | 0,07 | 17 | 11 | 150 |
| 1000 | 0,055 | 15 | 10 | 100-120 |
| 1200 | 0,047 | 13 | 9 | 90-110 |
| 1500 | 0,04 | 12 | 8 | 80-100 |
| 1800 | 0,03 | 10 | 7 | 70-100 |
| 2000 | 0,028 | 8 | 6 | 65-90 |
| 2200 | 0,025 | 7 | 5 | 65-90 |
Главное правильно подбирать резистор R6 под мощность двигателя. Выше представленная формула правильная, но на практике может потребоваться некоторая коррекция по поведению двигателя под нагрузкой. Если резистор великоват, то двигатель довольно резко стартует (т.е. происходит большая компенсация нагрузки, чем надо), а потом отключается, а если резистор будет мал, то не будет обеспечиваться компенсация нагрузки.
В Datasheet к ИМС U2010B ёмкость конденсатора С2 указана 0,01 мкФ, но она рассчитана на 60-герцовую сеть, и при использования ИМС в сети 50 Гц за период выдавалось несколько импульсов управления. В итоге, обороты электродвигателя практически не регулировались и двигатель работал на полную мощность. Для сети с частотой 50 Гц нужно ёмкость конденсатора С2 увеличить до 0,015 мкФ.
Первый пуск
Переменный резистор Р1 (регулятор оборотов) нужно установить на минимальные обороты двигателя, по схеме движок потенциометра должен быть повернут в сторону резистора R13. Затем подстроенный резистор R10 (компенсация нагрузки) установить в среднее положение, а на место R11 (перегрузка) временно подпаять постоянный резистор сопротивлением 62 кОм. Потом включить регулятор в сеть 220 В / 50 Гц и подстроенным резистором R8 выставить самые минимальные обороты двигателя.
Нужно сделать так, чтобы при включении двигатель начинал вращаться на минимальных оборотах. Если настроить устройство так, чтобы совсем не было напряжения на электродвигателе, то тогда становится слишком нелинейная зависимость управления резистором Р1 — при его повороте сначала двигатель не крутится, а потом резко стартует без плавного пуска.
Далее нужно подключить вольтметр с диапазоном измерения 300 В к выводам двигателя, включить двигатель и на средних оборотах, зажимая вал или привод двигателя через тряпку рукой, выставить такое положение резистора R10, чтобы обороты электродвигателя не менялись при изменении нагрузки на его валу. Одновременно с этим нужно смотреть на вольтметр, подключенный к двигателю. При увеличении нагрузки на валу электродвигателя регулятор прибавляет напряжение, и двигатель крутится с одинаковыми оборотами, независимо от нагрузки.
И вот в последнюю очередь настраивается резистор R11 (перегрузка). Постоянный резистор номиналом 62 кОм выпаиваем и вместо него ставим подстроенный или переменный резистор номиналом 220 кОм. На оборотах двигателя чуть больше минимальных, сильно зажимая вал или привод двигателя, стараемся почти заклинить вал двигателя, и по степенно изменяем величину резистора R11, пока не начнет срабатывать защита, и не станет светиться VD2. Затем измерьте сопротивление переменного резистора тестером и запаяйте в устройство соответствующий резистор. В таблице указано приблизительные значения сопротивления R11,
Детали регулятора
Купить микросхемы U2008B, U2010B можно через сайт AliExpress (www.ru.aliexpress.com) в Китае с бесплатной доставкой на Украину, а далее посылка бесплатно отправляется через «Укрпочту» в любое почтовое отделение на территории Украины. Доставка на Украину производится на протяжении 25-40 дней. Например, цена 1 шт. микросхемы U2010B зависит от корпуса исполнения, примерно 0,9 USD в корпусе S016 и 1,2 USD в корпусе DIP16, а симистора ВТА24-800 — 0,4 USD.
Печатная плата устройства изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм.
Симистор VS1 лучше использовать с изолированной площадкой под радиатор серии ВТА, например BTA12-800, BTA16-800, BTA24-800, или применить другие. При мощности двигателя до 400 Вт, VS1 можно не устанавливать на радиатор. Все SMD детали типоразмера 1206, их можно запаять обычным паяльником с тонким жалом.
Подстроенные резисторы — типа СП3-19а или другой малогабаритный. Переменный резистор Р1 любой на 47-50 кОм, можно малогабаритные СП4-1, СП3-9. Резистор R1 мощностью не менее 2 Вт, например, типа MЛT-2 или др. Резистор R6 изготовлен из нихромовой проволоки диаметром 0,7 — 1 мм. Автор использовал нихромовый провод из старого блока сопротивлений для зажигания автомобилей ГАЗ с маркировкой 1402.3729. Все электролитические конденсаторы на напряжение не менее 50 В. Диод D1 — типа 1N4007 или КД208, также можно использовать диод в SMD исполнении. Светодиод D2 любой малогабаритний диаметром 3-5 мм красного света. Переключатель SA1 любой малогабаритный 3-х позиционный. Если нужен только один режим перегрузки, тогда вместо него можно установить перемычку.
Литература:
- Бирюков С. Автомат плавного пуска коллекторных электродвигателей. // Радио. — 1997. — №7. — С.40-42.
Печатная плата для схемы показанной на рисунке 2:
Автор: Валентин Шипляк, г. Ужгород
