Тринисторные регуляторы мощности с фазовым управлением неоднократно описывались на страницах нашего журнала. Но, к сожалению, многие из них являются сильными источниками электромагнитных помех, что ограничивает область применения устройств. Зарубежные же бытовые регуляторы обязательно снабжаются встроенным помехоподавляющим фильтром. Причем уровень создаваемых ими помех должен удовлетворять жестким стандартам, принятым в той или иной стране. Об одном из подобных регуляторов и рассказывает автор статьи.
Схема регулятора мощности с фазово-импульсным управлением показана на рис. 1. Он собран по классической схеме на симметричном динисторе 32V (VD3) и симисторе TIC226M (VS1). При каждой полуволне сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается током, протекающим через резисторы R2, R3. Когда напряжение на нем достигает 32 В, динистор открывается и конденсатор С1 быстро разряжается через резистор R4, динистор VD3 и управляющий электрод симистора. Таким образом, управление симистором происходит в квадрантах I и III: когда напряжение на условном аноде симистора (верхний по схеме вывод VS1) положительное, управляющий импульс тоже положительный, а при отрицательном напряжении - отрицательной полярности.
Значение мощности в нагрузке, подключенной к разъему Х1, зависит оттого, как долго симистор будет включен в течение каждого полупериода сетевого напряжения. Момент включения симистора определяется пороговым напряжением динистора и постоянной времени (R2 + R3)C1. Чем больше сопротивление введенной части переменного резистора R2, тем длительнее промежуток времени, в течение которого симистор находится в закрытом состоянии, тем меньше мощность в нагрузке. Указанные на схеме номиналы элементов постоянной времени обеспечивают практически полный диапазон регулирования выходной мощности - от 0 до 99 %.
Чтобы добиться достаточно плавного регулирования выходной мощности, переменный резистор R2 должен быть с характеристикой группы Б. Подойдет и резистор группы В, но тогда его придется включить таким образом, чтобы увеличение выходной мощности (т. е. с уменьшением сопротивления переменного резистора) происходило при вращении его ручки против часовой стрелки.
Цепь, образованная диодами VD1, VD2 и резистором R1, обеспечивает плавность регулировки при минимальной выходной мощности. Без нее характеристика управления регулятором имеет гистерезис. Например, яркость лампы накаливания, используемой в качестве нагрузки, при увеличении выходной мощности изменяется скачком от нуля до 3...5% от максимальной яркости. Суть этого явления заключается в следующем. При большом сопротивлении резистора R2, когда напряжение на конденсаторе С1 не превышает 30 В, динистор не открывается в течение всего полупериода сетевого напряжения и выходная мощность равна нулю. При этом к моменту перехода сетевого напряжения через "ноль" напряжение на конденсаторе имеет нулевое значение и в следующем полупериоде значительную часть времени конденсатор разряжается. Если сопротивление резистора R2 уменьшать, то после того, как напряжение на конденсаторе начнет превышать порог срабатывания динистора, конденсатор будет разряжен в конце полупериода и в следующем полупериоде сразу же начнет заряжаться, поэтому в новом полупериоде динистор откроется раньше. 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.
Резистор R4 ограничивает максимальный ток через динистор примерно до 0,1 А и замедляет процесс разрядки конденсатора С1. Тем самым обеспечивается относительно большая длительность импульса, достаточная для надежного запуска симистора VS1 даже при значительной индуктивной составляющей нагрузки. При указанных на схеме номиналах резистора R4 и конденсатора С1 длительность импульса управления равна 130 мкс. Значительную часть этого времени через управляющий электрод симистора протекает ток, достаточный для открывания симистора в любом квадранте - для симистора 32V он соответствует 50 мА.
Симметричный динистор 32V (VD3) обеспечивает одинаковость угла открывания симистора в обеих полуволнах сетевого напряжения. Следовательно, описываемый регулятор не будет выпрямлять сетевое напряжение, поэтому во многих случаях может быть применен даже для управления нагрузкой, подключенной к нему через трансформатор. Динистор 32V можно заменить его аналогом, собранным на транзисторах разной структуры, как это показано на рис. 2. Диодный мост VD4-VD7 обеспечивает симметрию управления симистором, а маломощный стабилитрон VD8 задает порог срабатывания аналога. Транзисторы VT1 и VT2 должны выдерживать значительный (не менее 0,1 А) импульсный ток базы. Статический коэффициент передачи тока базы транзистора VT2 - не менее 50. Диоды моста также должны выдерживать прямой импульсный ток значением не менее 0,15 А. Пригодны, например, диоды серии КД103 с любым буквенным индексом.
Предельно допустимое напряжение диодов и транзисторов аналога динистора должно быть не менее чем на 30% больше напряжения стабилизации стабилитрона VD8, т. е. не менее 50 В. Можно использовать два маломощных стабилитрона, включив их последовательно, чтобы их суммарное напряжение стабилизации составило 25...30 В. Резисторы R7 и R8 обеспечивают аналогу высокую температурную стабильность работы.
Симистор TIC226M, допустимый ток которого 8 А, позволяет управлять нагрузкой мощностью до 1 кВт. Для нагрузок мощностью до 2 кВт можно использовать симисторы с допустимым током 15...16 А.
Вместо симистора TIC226M можно применить отечественный тринистор КУ208Г. Однако он обладает существенно худшей чувствительностью. Для надежного срабатывания через управляющий электрод тринистора КУ208Г должен протекать ток значением не менее 250 мА при температуре окружающей среды -60°С или 170 мА - при комнатной. Поэтому при использовании тринистора КУ208Г сопротивление резистора R4 следует уменьшить до 100 Ом, а индуктивность дросселя L1 -до 100 мкГн. Соответственно транзисторы и диоды в аналоге динистора (рис. 2) должны выдерживать токи до 0,3 А.
Уровень помех, создаваемых таким регулятором, будет существенно выше. Кроме того, он будет обладать меньшей стабильностью при работе на нагрузку с индуктивной составляющей.
Падение напряжения на симисторе VS1 равно примерно 2 В, поэтому при нагрузке мощностью более 100 Вт симистор необходимо установить на соответствующий теплоотвод. При меньшей нагрузке теплоотводом может служить сама печатная плата регулятора. Для этого симистор в корпусе ТО220 следует положить на фольгированную сторону печатной платы, привинтить его винтом МЗ с гайкой, а под местом установки симистора оставить участок фольги площадью 3...5 см2.
В любительских конструкциях часто вместо симистора используют диодный мост и тринистор, что увеличивает стоимость компонентов и размеры конструкции. Такое решение примерно удваивает потери мощности в регуляторе и сужает диапазон допустимых нагрузок. Кроме того, зарядка накопительного конденсатора происходит однополярным напряжением, что, как верно подмечено в статье А. Маслова "Еще раз о тринисторном регуляторе мощности" (см. "Радио", 1994, № 5, с. 37), приводит к сбоям в работе регулятора при малой установленной мощности.
Говоря о статье А. Маслова, нельзя не упомянуть, что предлагаемый им способ снижения скорости нарастания напряжения на тринисторе (dV/dt) может привести к порче тринистора из-за его перегрузки импульсным током в момент включения, поскольку ток разрядки конденсатора, шунтирующего тринистор, никак не ограничен. Если использовать высококачественный конденсатор с малым внутренним сопротивлением, то тринистор почти наверняка будет разрушен превышением значения тока или скорости нарастания тока (dV/dt). Чтобы устранить этот недостаток, нужно последовательно с накопительным конденсатором включить проволочный или объемный углеродный резистор сопротивлением не менее 10 Ом. Металлопленочные и углеродно-пленочные резисторы для этой цели непригодны, так как могут выйти из строя из-за большой мгновенной рассеиваемой мощности в момент включения тринистора.
В описываемом регуляторе мощности (см. рис. 1) скорость изменения напряжения насимисторе VS1 ограничена конденсаторами С2, C3, а ток их разрядки при открывании симистора - дросселем L1. Современные симисторы выдерживают скорость нарастания напряжения 50...200 В/мкс, а некоторые даже до 750 В/ мкс, так что сравнительно небольшая емкость конденсаторов С2, C3 предотвращает ложные срабатывания симистора даже при низкоомных нагрузках. С сожалением приходится отметить, что морально устаревшие отечественные тринисторы серии КУ208 имеют только 10 В/мкс.
Одновременно дроссель L1 и конденсаторы С2, C3 образуют помехоподавляющий фильтр нижних частот. Дроссель должен выдерживать ток нагрузки без насыщения магнитопровода. В качестве магнитопровода автор использовал кольцо наружным диаметром 26,5, внутренним 14,5 и толщиной 7,5 мм из порошкового железа с магнитной проницаемостью 75. Обмотка содержит 58 витков провода ПЭВ-2 диаметром 1 мм. Такой дроссель пригоден для работы с нагрузкой мощностью до 1 кВт. При использовании тринистора КУ208Г число витков дросселя следует уменьшить до 40.
Конденсаторы С2 и C3 должны быть типа Х1 или Х2 (это международное обозначение конденсаторов), специально предназначаемые для включения между сетевыми проводами; они - в корпусах из самогасящего пластика, предотвращающего пожары, возможные при пробое конденсаторов. На корпусе конденсатора такого типа должно быть указано его номинальное напряжение 250VAC, что соответствует применению в сети переменного тока (АС = alternated current, т. е. переменный ток). Кроме того, на корпусах должны присутствовать условные знаки тестовых лабораторий, которые проверили данный тип конденсатора и признали его пригодным для использования в сети переменного тока. Корпусы хороших конденсаторов, как правило, усеяны такими знаками, поскольку они прошли испытания во многих лабораториях. В крайнем случае вместо конденсатора типа Х1 или Х2 можно применить металлопленочный или бумажный конденсатор на номинальное напряжение не менее 400 В.
Автор: А.Кузнецов, г.Москва