Тринисторный регулятор мощности

Описание

Регуляторы мощности на базе симметричных тринисторов (симисторов) широко используются в бытовой технике и электроинструментах. Данный регулятор предназначен для работы только в схемах питания переменным напряжением. Подобные схемы называют диммерами. Мы часто встречаемся с ними при использовании электроинструмента. Они встроены в механизм кнопки пуска и позволяют плавно регулировать обороты двигателя устройства, например, электродрели, электроперфоратора, электролобзика и др., степенью нажатия на кнопку. Иногда эти схемы встраивают в пылесосы, благодаря чему можно плавно регулировать мощность всасывающего усилия. Область применения таких регуляторов на самом деле гораздо шире, список можно перечислять бесконечно, начиная от освещения, паяльников, швейных машин с электроприводом и т.д.

Схема

Изображение схемы

Рисунок 1. Схема регулятора мощности на тринисторе (тиристоре)

На рисунке 1 изображена электрическая схема диммера. Его основу составляет ключ на тринисторе VS1, управляемый напряжением. Так же схема содержит блокирующий Динистор VS2, токоограничивающий резистор R2, цепочку задержки фазы управляющего напряжения на конденсаторах C1, C2 и резисторах R1, R3 и R5. В качестве выносных управляющих элементов используется коммутационное устройство SA1 (выключатель, кнопка, контакты реле и т.п.) и переменное (регулировочное) сопротивление R4.

Принцип работы

При нарастании напряжения сети от нуля конденсаторы C1 и C2 (рисунок 1.) заряжаются через резисторы R1, R3, R4, R5 и нагрузку, подключенную к разъёму XS2 при замкнутом положении контактов SA1, полключенных к разъёму XS3. Динистор VS2 блокирует утечку тока через управляющий электрод тринистора VS1, исключая влияние на скорость заряда конденсаторов. При достижении на конденсаторе C1 напряжения, достаточного для отпирания динистора VS2, он отпирается и подключает к управляющему электроду VS1 конденсатор C1 через токоограничивающий резистор R2. Заряженный конденсатор C1 подаёт таким образом импульс включения на тринистор и быстро разряжается.

Открытый тринистор коммутирует нагрузку и остаётся включенным до тех пор, пока через него не перестанет протекать ток. При снижении тока нагрузки до нуля, тринистор VS1 запирается. Процесс работы повторяется, но с противоположной полярностью напряжений на всех элементах схемы.

Для заряда разряженного конденсатора до какого-либо напряжения требуется время, что позволяет получить задержку управляющего импульса от момента начала нарастания переменного напряжения.

Скорость заряда конденсатора зависит от тока заряда, который зависит от активного сопротивления цепи, по которой производится заряд. Изменением сопротивления цепи заряда можно в значительной степени варьировать задержку управляющего сигнала.

На рисунке 2 представлены диаграммы, поясняющие работу регулятора мощности.

изображение диаграмм дитммера 
Рисунок 2. Диаграммы, поясняющие работу симисторных регуляторов мощности.

Диаграмма «а» отражает форму синусоидальной кривой напряжения питающей сети.

На диаграмме «б» показаны кривые «1»-«4» заряда (перезаряда) конденсатора C1 и уровни напряжения отсечки «+Uо» и «-Uо», при которых происходит срабатывание динистора VS2 и отпирание тринистора VS1.

Когда активное сопротивление цепи задержки фазы управления минимально, конденсаторы заряжаются максимально быстро (кривая заряда «1» диаграмма «б»). При достижении напряжения уровня «+Uо» в положительный или «-Uо» в отрицательный полупериод происходит включение нагрузки. Нагрузка остаётся включенной до окончания текущего полупериода (диаграмма «в»).

При увеличении активного сопротивления цепей заряда конденсаторов, время их заряда несколько увеличивается, кривая заряда становится несколько более пологой (кривая «2» диаграмма «б»). При этом момент достижения на конденсаторе C1 уровня напряжения отсечки несколько смещается в сторону запаздывания, и «отсекается» более значимая часть полупериода (диаграмма «г»).

При дальнейшем увеличении сопротивления цепи заряда момент отсечки может быть смещён ближе к завершению полупериода (диаграмма «д»), при котором на нагрузку будет подаваться очень малая мощность.

При правильном подборе номиналов элементов можно добиться такого максимального сопротивления цепи заряда конденсаторов, при котором напряжение на C1 не будет достигать уровня отсечки. При этом конденсатор не разряжается импульсно при каждом полупериоде, а лишь перезаряжается с некоторой задержкой по фазе (примерно 90º), а напряжение на нём повторяет синусоиду сетевого с соответствующим сдвигом по фазе (кривая «4» диаграмма «б»). В этом случае на нагрузку мощность не подаётся вообще.

Примечание

Поскольку при питании от сети все элементы схемы находятся под опасным напряжением, все они должны быть надёжно изолированы, особенно элементы управления SA1 и R4. Конструкция SA1 и R4 выбирается исходя из того, каким устройством предполагается управлять. Это могут быть как отдельные элементы, так и совмещённые в одном устройстве, например, переменный резистор с контактами, замыкающимися в момент начала поворота ручки регулировки.

Данный тип регулятора мощности нельзя использовать для регулирования ёмкостной нагрузки, поскольку крутые фронты включения тринистора являются высокочастотной составляющей гармонических колебаний, хорошо проходящими через ёмкости. Это может вывести из строя как ёмкостные, так и другие элементы схемы питаемого устройства.

В схеме использованы винтовые разъёмы, за неимением которых можно обойтись просто припайкой проводников непосредственно на плату.

Тринистор VS1 необходимо снабдить небольшим радиатором. Он нужен для отвода тепла при коммутации значительных токов, а также в момент возможной перегрузки при аварийном режиме. Я использовал отрезок алюминиевой шинки размером 20х30 мм.

Само устройство, в котором предполагается использование регулятора, обязательно должно быть снабжено аппаратом защиты типа автомата, или предохранителем в виде плавкой вставки.

Печатная плата

На рисунках ниже представлены изображения печатной платы и монтажной схемы элементов

 

Фото готового диммера

     

Файлы проекта

Ссылка на файл проекта в формате PDF - Тринисторный регулятор - Диммер.pdf

1 Комментарий

На фото диммера со стороны

На фото диммера со стороны печатных проводников видно, что я корректировал печатную плату. Это связано с допущенной ошибкой во время проектирования. В представленных выходных файлах эта ошибка уже устранена, я просто не стал переделывать печатную плату заново, поскольку устранить ошибку было гораздо проще.

При выборе тринистора отличного от указанного на схеме обратите внимание на нумерацию и назначение выводов. При несоответствии Вам понадобится скорректировать разводку печатной платы в соответствии со схемой..