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.

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.

Как сделать диммер на 12 и 220 В своими руками?

Для регулировки интенсивности освещения можно использовать специальные выключатели – диммеры. Они позволяют менять силу светового потока от максимуму до полного выключения. Тем не менее, заводские диммеры обладают рядом недостатков, среди которых и довольно высокая стоимость. Чтобы решить проблему, вы можете изготовить диммер своими руками на 12 и 220 Вольт, в зависимости от типа цепей, для которых вы собираетесь его использовать.

Что понадобится для работы?

Диммер представляет собой регулятор яркости, который позволяет поворотом ручки или нажатием клавиши изменить интенсивность света в комнате.

По типу регулировки мощности свечения они бывают:

• резистивные;
• трансформаторные;
• полупроводниковые.

Первый вариант наиболее простой, но экономным его назвать нельзя, поскольку снижение яркости свечения не изменяет мощность нагрузки. Другие два куда более эффективны, но имеют и более сложную конструкцию. В зависимости от принципа действия и будет зависеть то, какие детали включает в себя диммер. Чтобы не отвлекаться от работы всем необходимым лучше запастись заранее.

Для рассматриваемых далее примеров вам пригодятся такие электронные элементы:

• Симистор – представляет собой ключ в схеме, используется для открытия или запирания участка цепи от протекания электротока. Применяется в цепях с питающим напряжением в 220В, имеет три вывода – два силовых и один управляющий.
• Тиристор – также устанавливается в качестве ключа и переводится в устойчивое состояние, необходимое для работы схемы.
• Микросхема – более сложный элемент электронной схемы со своей логикой и особенностью управления.
• Динистор – также является полупроводниковым элементом, пропускающим электрический ток в двух направлениях.
• Диод – однонаправленный полупроводник, который открывается от прямого протекания электротока и запирается от обратного.
• Конденсатор – емкостной элемент, основная задача которого накопление нужной величины заряда на пластинах. Для изготовления самодельных диммеров лучше использовать неполярную модель.
• Резисторы – представляют собой активное сопротивление, для диммеров используются в делителях напряжения и токозадающих цепях. В схемах пригодятся как постоянные, так и переменные резисторы.
• Светодиоды – пригодятся для обеспечения световой индикации в диммере.

В зависимости от конкретной схемы и устройства диммера, будет зависеть и набор необходимых деталей, все из вышеперечисленного приобретать не нужно. Заметьте, что некоторые из них можно выпаять их старых телевизоров радиоприемников и прочих бытовых приборов, которые вами больше не используются. Далее рассмотрим примеры конкретных схем.

На симисторе

Такой диммер будет работать от напряжения сети 220В напрямую, схема отличается относительной простотой, поэтому собрать ее под силу даже начинающему радиолюбителю. Принцип регулирования напряжения в этом диммере заключается в отсекании определенного полупериода синусоиды, благодаря чему снижение электрического параметра приводит к реальной экономии электроэнергии.

Посмотрите на схему подключения, симистор – это электронный ключ, который управляется сигналами с динистора, включенного во времязадающую R — C цепочку.

Схема диммера на симисторе

Работа схемы заключается в следующем: после подключения фазы 220В к диммеру, на времязадающую цепочку C1 – R1 – R2 будет подано напряжение, так как динистор VS1 закрыт, ток протекает только через конденсатор и резисторы.

В зависимости от установленного поворотным резистором омического сопротивления будет зависеть и величина тока. От величины тока зависит и скорость заряда конденсатора C1, при достижении нужной величины потенциала на котором произойдет открытие динистора.

Через цепь открывшегося динистора на симистор VS2 подается сигнал открытия, срабатывает ключ, пропускающий определенную часть полупериода к нагрузке. Ток удержания в симисторе не возникает, поэтому с разрядом конденсатора вся цепь переходит в исходное состояние вплоть до следующего полупериода, который откроет ключ и подаст на нагрузку потенциал.

Изменение синусоиды

Как видите, такая схема диммера осуществляет регулировку яркости «обрезая» форму синусоиды до определенного импульса, уменьшая и величину напряжения, и его действующее значение. В виду нестабильного колебания кривой такую модель светорегулятора однозначно можно подключать к лампам накаливания, поскольку они не восприимчивы к форме напряжения. Что касается светодиодных и люминесцентных моделей, их нужно тестировать на уже готовом диммере.

Чтобы изготовить такой диммер для практического использования, лучше взять печатную плату. Так как при стационарной установке при регулировании напряжения вам понадобится жесткое крепление к конструкции. Ее можно как заказать, так и изготовить самостоятельно.

Процесс сборки состоит из следующих этапов:

• Перенесите эскиз на фольгированную плату, в местах монтажа соответствующих деталей сделайте разметку. Дорожки наведите нитрокраской и протравите плату диммера в хлорном железе.

Протравите плату

• В процессе травки плату нужно переворачивать, а после окончания, достаньте и полудите ее, промойте спиртом и просверлите отверстия для ножек.

Сделайте отверстия

• Поместите ножки радиодеталей в просверленные отверстия под них.

Поместите ножки радиодеталей в отверстия

Если вы разметили монтажные площадки, придерживайтесь данной разметки.

• Разогрейте паяльник и нанесите слой олова с обратной стороны платы диммера.

Припаяйте ножки радиодеталей

• Протестируйте собранную конструкцию на лампе накаливания, если она работает как надо, можете собирать диммер в корпус.

Опробуйте работоспособность на лампе накаливания

На тиристорах

Такая модель диммера на тиристорах по принципу действия идентична предыдущему варианту, но вместо симистора в роли ключа выступают тиристоры. Из-за особенностей работы тиристора целесообразнее устанавливать такое электронное устройство для каждой полуволны синусоиды напряжения.

Пример схемы такого диммера приведен на рисунке ниже:

Схема регулятора на тиристорах

Начнем разбор работы схемы с положительного полупериода кривой напряжения – конденсатор C1 заряжается по цепи из токоограничивающих резисторов R3 — R4 — R5. Когда величина заряда достигнет порогового значения для динистора V3, он открывается и подает управляющий импульс на тиристор V1. В режиме ключа V1 начинает пропускать напряжение к нагрузке, выдавая определенный участок кривой напряжения.

При отрицательном полупериоде синусоиды V1 запирается, ток через него протекать не будет, а на конденсатор C2 через токозадающую цепь R1 – R2 — R5 будет поступать заряд, который со временем откроет динистор V4. Через него будет протекать ток на управляющий электрод тиристора V2, после открытия транзистора на нагрузку пойдет такая же часть полупериода синусоиды, но с противоположным знаком.

Такой регулятор мощности светового потока может использоваться не только для изменения яркости освещения ламп, но и для управления температурой нагрева паяльника и других устройств.

С использованием конденсаторов

Такой диммер работает только в качестве переключателя, который изменяет путь протекания тока, питающего нагрузку. Но и схема кнопочного диммера довольно проста и не потребует никаких специфических элементов.

Схема диммера на конденсаторе

Принцип его работы заключается в переведении переключателя SA1 в одно из трех возможных положений:

• выключено – цепь полностью разорвана, лампа не горит или проходной выключатель выдает логический ноль в цепи;
• закорочено на лампу – в цепи подключения диммера отсутствуют какие-либо элементы кроме электрической лампы (прибор освещения горит на полную мощность);
• подключено через R – C цепь – выдает только определенный процент яркости освещения.

В зависимости от параметров резистора и емкостного элемента будут зависеть напряжение и яркость свечения. Этот диммер используется для регулировки освещения путем рассеивания части мощности в R – C цепи, поэтому никакой экономии от снижения вы не получите.

На микросхеме

В диммере, собранном на микросхеме, изменение величины напряжения происходит для потребителей на 12В – светодиодных лент, люминесцентных лам и прочего оборудования. Один из вариантов схемы приведен на рисунке ниже.

Схема диммера на микросхеме

Как видите, управление может осуществляться и за счет датчика, подключенного к выводу 2, и посредством регулируемого резистора VR1.

Микросхема с вывода 3 выдает управляющий сигнал через сопротивление R2 на базу транзистора VT1. Изменяя величину напряжения переменным резистором VR1, на выходе 3 микросхемы изменяется уровень потенциала, который увеличивает или уменьшает пропускную способность транзистора. При этом меняется и яркость светодиодов, если управление происходит светодиодными светильниками.

Видео варианты изготовления