Регуляторы мощности

Чтобы уменьшить температуру электрокалорифера или электроплитки, нагрев жала паяльника, яркость настольной лампы, обычно пользуются автотрансформатором. Но автотрансформатор — довольно громоздкое устройство, потребляющее от сети дополнительную мощность. Да и не всякий автотрансформатор способен работать с мощной нагрузкой, например, с калорифером. Предлагаем вам самим построить регулятор мощности на полупроводниковых приборах — диодах и тиристорах (они включают в себя динисторы, тринисторы, симисторы), такие регуляторы невелики по габаритам, но способны управлять значительной нагрузкой. Рассмотрим несколько схем подобных регуляторов мощности.

Начнем с самого простого регулятора для питания паяльника. От нагрева его жала во многом зависит качество пайки. К перегретому жалу не будет «прилипать» припой, а недогретое — не в состоянии расплавить припой и разогреть место пайки. Схема простейшего регулятора мощности на тринисторах и диодах приведена на рисунке 1. Через разъем X1 (двухштырьковую вилку) регулятор включают в сеть, а в розетку Х2 вставляют вилку паяльника. В положительный полупериод сетевого напряжения на верхнем по схеме штырьке разъема X1 ток проходит через диод и нагрузку (паяльник). В отрицательный полупериод напряжения диод закрыт, и ток через нагрузку не идет. Если бы не было цепи из тринистора, конденсатора и резисторов, включенной параллельно диоду, то на нагрузке выделялась бы мощность вдвое меньше той, что выделяется при питании паяльника прямо от сети. Но именно благодаря этим деталям мощность на нагрузке можно плавно регулировать в определенных пределах. Ведь теперь на верхнем по схеме штырьке разъема в отрицательный полупериод напряжения будет открываться тринистор и подключать нагрузку к сети. Момент открывания тринистора зависит от момента появления на управляющем электроде напряжения, соответствующего напряжению включения. А это, в свою очередь, зависит от напряжения, снимаемого с движка переменного резистора R3, и емкости конденсатора С1. Конденсатор здесь выполняет роль элемента, сдвигающего по фазе напряжение на управляющем электроде относительно сетевого, приложенного к аноду тринистора. Поэтому такое управление тринистором носит название амплитудно-фазового (по амплитуде — резистором R3, по фазе — конденсатором).

В зависимости от момента включения тринистора будет изменяться и продолжительность его работы во время отрицательного полупериода на верхнем штырьке разъема X1. В результате средний ток, протекающий через нагрузку, будет изменяться, а с ним и выделяемая на нагрузке мощность. Вот почему подобные регуляторы называются регуляторами мощности.

Включив в розетку Х2 паяльник и подключив параллельно ему вольтметр переменного тока, вы заметите, что при перемещении движка переменного резистора напряжение изменяется примерно от 150 до 210 В (при сетевом напряжении 220 В). Можно подобрать оптимальную температуру жала паяльника, чтобы получить наилучшее качество пайки. Такой регулятор рассчитан на работу с паяльником, мощность которого не превышает 25 Вт.

Вместо диода Д226Б можно использовать Д7Ж или другой, рассчитанный на ток не менее 300 мА и обратное напряжение более 300 В. Вместо тринистора КУ101Б подойдет КУ101Г, КУ101Е. С более мощным диодом, например Д245А, и тринистором КУ201Д-КУ201Л регулятор способен управлять нагрузкой до 200 Вт. При этом резистор R1 должен быть сопротивлением 3,3 кОм.

Постоянные резисторы могут быть типа МЛТ-0,5, МЛТ-1, переменный — СП-1, электролитический конденсатор — К50-6.

Описанный регулятор можно изготовить в виде небольшой приставки, на корпусе которой установлена сетевая розетка (или несколько розеток), а через отверстие в боковой стенке выведен сетевой шнур достаточной длины с вилкой на конце для включения в сеть. На верхней стенке корпуса укреплен переменный резистор, на его выступающую часть надета ручка. Паяльник включается в розетку на корпусе регулятора.

Налаживание регулятора состоит в проверке и подборе пределов регулирования напряжения на нагрузке. Подключив параллельно нагрузке вольтметр переменного тока, определяют крайние значения напряжения при вращении ручки переменного резистора. Подбирают сопротивление резистора К1 так, чтобы минимальное напряжение на нагрузке было не ниже 150 В. Только после этого можно проградуировать шкалу — нанести на корпусе регулятора против метки на ручке резистора деления, соответствующие выходному напряжению.

На рисунке 2 дана схема другого регулятора мощности, который позволяет изменять напряжение на нагрузке в более широких пределах. Нагрузка в нем включается в сеть через двухполупериодный выпрямитель, собранный по мостовой схеме на диодах V1—V4. Выпрямитель включен так, что при закрытом тринисторе V5 ток через нагрузку протекать не будет. Для открывания тринистора применена зарядная цепь из резисторов и конденсатора. На нее поступает выпрямленное диодным мостом напряжение. Как только конденсатор зарядится до определенного напряжения, тринистор откроется и замкнет диагональ моста. В какой момент того или иного полупериода сетевого напряжения откроется тринистор, зависит от постоянной времени зарядной цепи. А ее, в свою очередь, можно плавно изменять переменным резистором R1.

Такой способ управления тринистором называется фазовым, поскольку изменяется лишь фаза напряжения на управляющем электроде по отношению к фазе напряжения на аноде тринистора.

При указанных на схеме номиналах деталей напряжение на нагрузке можно изменять примерно от 40 до 210 В. Мощность нагрузки — до 60 Вт.

Чтобы к регулятору можно было подключать более мощную нагрузку, например, сразу несколько паяльников для занятий кружка, достаточно заменить диоды Д226Б на Д245А или установить выпрямительный мост КЦ402, КЦ403, КЦ404, КЦ405 с буквенными индексами А-Г, Ж, И. Собранный на этих деталях регулятор способен управлять яркостью настольной лампы или люстры мощностью до 200 Вт.

Тринистор может быть серии КУ201 с буквенными индексами Л, К. Электролитический конденсатор — К50-6, постоянный резистор — МЛТ-1 или МЛТ-2, переменный — СП-1 или движковый (такие резисторы используются в звукоусилительной аппаратуре).

Если все детали исправны и схема собрана правильно, регулятор начнет работать сразу. Придется лишь отградуировать шкалу переменного резистора с помощью вольтметра переменного тока.

На рисунке 3 показана схема регулятора без диодного моста, на двух тринисторах. Работает он так. Тринисторы включены встречно-параллельно, поэтому каждый из них пропускает ток только во время «своего» полупериода сетевого напряжения на аноде. Так, когда на верхнем по схеме штырьке разъема X1 положительный полупериод, через резисторы R1, R2, диод V4 заряжается конденсатор С2 и открывается тринистор V2. А при появлении на этом штырьке отрицательного полупериода напряжения тринистор V2 закрывается, но через резисторы R3, R2 и диод VЗ заряжается конденсатор С1 и открывается тринистор V1. Ток через нагрузку будет идти в оба полупериода напряжения, но среднее значение его определяется сдвигом фазы открывания тринисторов относительно соответствующих полупериодов сетевого напряжения. Плавное изменение сдвига фазы (а значит, и среднего тока через нагрузку) осуществляется переменным резистором R2, общим для обеих зарядных цепочек. Этот регулятор способен управлять нагрузкой с максимальной мощностью 200 Вт, и напряжение на ней можно плавно изменять от 25 до 210 В. Если предполагается управлять более мощной нагрузкой, нужно заменить тринисторы на КУ202К-КУ202Н. Постоянные резисторы — МЛТ-1, переменный — СП-1 или движковый, конденсаторы — К50-6, диоды Д226Б-Д226Д или Д7Б—Д7Ж.

Такой регулятор обычно начинает работать сразу, но иногда может наблюдаться скачкообразное изменение напряжения на нагрузке при перемещении движка переменного резистора. Объясняется это неодинаковым напряжением открывания тринисторов. Подобрать тринисторы с одинаковыми параметрами не всегда возможно, проще изменить сдвиг фазы на управляющем электроде одного из тринисторов.

Делают это так. Включив регулятор в сеть, подключают к нему настольную лампу. Плавно перемещая движок переменного резистора, находят положение, при котором яркость лампы изменяется скачком. Затем отводят движок немного назад, до положения, когда яркость лампы скачком уменьшится. Поочередно замыкают (отверткой с изолированной ручкой) управляющий электрод каждого тринистора с его катодом. Тот тринистор, при замыкании электродов которого лампа гаснет, имеет меньшее напряжение включения. Значит, на втором тринисторе следует уменьшить сдвиг фазы. Если это, к примеру, тринистор V1, то уменьшают сопротивление резистора R3 (а для тринистора V2 — сопротивление резистора R1).

Можно, естественно, поступить наоборот — увеличить сдвиг фазы для тринистора с меньшим напряжением включения. Для этого увеличивают сопротивление соответствующего резистора. Правда, тогда возрастет минимальное напряжение, которое можно установить регулятором на нагрузке.

И в заключение несколько общих замечаний.

Во-первых, помните о технике безопасности при проверке и налаживании регуляторов. Все перепайки следует делать только при отключенной сетевой вилке. Напряжения на деталях изменяйте осторожно, помня, что выводы деталей соединены гальванически с сетью.

Наши регуляторы рассчитаны на работу только с активной нагрузкой: паяльниками, осветительными лампами, нагревательными приборами. Ни в коем случае нельзя подключать к ним магнитофоны, радиоприемники, телевизоры или аналогичную нагрузку индуктивного характера (в том числе и светильники с лампами дневного света).

Иногда такой регулятор может стать источником радиопомех, особенно когда в него включена нагрузка большой мощности. В этом случае на входе регулятора желательно установить помехоподавляющий фильтр. Он состоит из конденсатора емкостью примерно 0,25 мкФ (на номинальное напряжение не ниже 400 В) и дросгеля индуктивностью 1—10 Г. Такой дроссель получится, например, если на сердечнике диаметром 8—10 мм и длиной 25 мм из феррита 400 НН или 600 НН намотать виток к витку пять слоев провода ПЭВ-1 диаметром 0,6—0,7 мм. В качестве дросселя можно использовать и вторичную обмотку трансформатора старого абонентского громкоговорителя. Учтите, что дроссель должен быть рассчитан на ток используемой нагрузки. Дроссель включают в разрыв провода одного из штырьков сетевого разъема, а конденсатор — параллельно штырькам.