Регулятор мощности с логической синхронизацией.

Автор: Samremo
Опубликовано 26.05.2018
Создано при помощи КотоРед.

   Приветствую, уважаемое котовство!

    Внимание! Приведенная в статье схема не имеет гальванической развязки с сетью. Берегите лапки и хвосты при работе с ней! Схема должна быть смонтирована в корпусе из диэлектрика, ручи потенциометров должны быть изолирующими. 

В приложении к статье есть монтажная плата, монтажная схема и проект с ними, для SL5.0.

   Хороши регуляторы мощности на симисторах с фазовым управлением (диммеры) – просты и обеспечивают выполнение множества задач. Диммер должен быть в каждом кошачьем хозяйстве. Однако, для некоторых типов нагрузок, искажение  формы напряжения сети, которое они дают, неприемлемо. Искажение, к тому же, создает значительный уровень помех, особенно если регулятор работает на мощную нагрузку, и заметное "жужжание" паяльника и других квазииндуктивных или индуктивных нагрузок, которое мешает котятам спать. Кроме того, диапазон регулирования мощности таких регуляторов обычно 25 – 100%, что не всегда достаточно. Поэтому я и обратил свой взор на регуляторы мощности, периодически подключающие нагрузку к сети.

   Учитывая, что многие котята еще не знакомы с такими устройствами, и то, что "теория" данных регуляторов мне не встречалась, беру на себя проведение небольшого экскурса по теме.

   Работа представленного регулятора состоит в том, чтобы подключать/отключать нагрузку к/от сети, в моменты, когда сетевое напряжение равно нулю – с целью не допускать появления постоянной соствляющей и минимизировать помехи. Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, за один период подключения, будет определяться выражением 

        Рср (%)=100*Тд/(Тд+Тп)

 Где Тд – время действия, т.е. когда нагрузка подключена, Тп – время паузы между действиями.

   Оба интервала времени можно выразить в секундах или в количестве периодов сетевого напряжения – когда как удобнее. Сумма Тд+Тп составляет один период регулятора. Изменяя Тп или Тд, можно регулировать среднюю мощность в широких пределах.    Мы будем изменять Тп, т.к. это предпочтительнее, потому что, если изменять только Тд, то резко сокращается диапазон регулирования и нельзя получить 100% мощности. Следует заметить, что в работе простей-ших регуляторов данного типа – без синхронизации действия и паузы с периодами напряжения сети, присутствует постоянная составляющая и значительные помехи, но зато нет ступенчатости (дискретности) регулирования мощности. А в тех регуляторах, которые синхронизируются, дискретность обусловлена самим принципом работы.

   Рассматриваемые регуляторы лучше всего использовать для работы на инерционную нагрузку – такую как нагреватель-ные элементы или двигатели с тяжелым ротором, или двигатели с маховиком (точильный диск, например). Очевидно, что при одинаковых значениях средней мощности, но разных значениях Тд и Тп, чем меньше Тд и Тп, тем равномернее будет крутится диск. Однако, чем они меньше, тем больше будет проявляться дискретность регулирования.  При коротких периодах регулятора, дискретность будет значительно выражена на больших уровнях средней мощности, и будет сильно уменьшаться с увеличением длины периодов. Синхронизируемый регулятор не может (и не должен) выдавать за время Тд серию из периодов сетевого напряженияи короче одного сетевого периода. А время Тп должно быть кратным сетевому 

периоду или полупериоду. Если минимально возможные Тд и Тп равны одному периоду сети, то, после 100% мощности (работа без пауз, Тп=0), следующим ближайшим уровнем мощности будет 50% (один период  действие и один период пауза), а следующим 33,3% (один период действие и пауза в два периода). Понятно, что это плохо (красная линия на графике).

   Здесь N – длина паузы, выраженная в количестве пауз минимально возможной длительности – Тп мин. Если сделать Тд = 10 периодов, ситуация кардинально улучшается (зеленая линия). Тд=15, как у меня  - синяя линия

   Увеличим длительность действия до 100 периодов. Тогда две, ближайшие к полной, градации мощности будут иметь значения 99% (100/101) и 98% (100/102).  Т.е. шаг в 1% и даже меньше – по мере увеличения пауз. Однако, 100 периодов это 2 сек, и пауза, уже при 50% мощности будет тоже 2 сек, что плохо для нагрузок с малой инерционностью. Можно, конечно, сделать Тп мин. равной длительности не периода, а полупериода сетевого напряжения. Тогда, при минимальном Тд, градации мощности будут выглядеть так: 100, 66, 50, 40....%. Это, конечно, немного лучше, чем в первом примере, но не на столько, чтобы имело смысл усложнять схему – для синхронизации  Тд с периодами, а Тп – с полупериодами сетевого напряжения.  А учитывая, что практические значения Тд всегда значительно больше длительности одного полупериода сети (по причине изложенной выше), это полностью теряет смысл.  Таким образом, в зависимости от стоящих перед регулятором задач, надо выбирать режим, который им лучше подходит.  Если же мы хотим, чтобы регулятор был на все варианты применения, нужно выбирать нечто среднее или предусмотреть возможность изменения как длительности действия, так и длительности пауз.

   Схем регуляторов, рассматриваемого типа, существует множество, но среди тех, что мне попадались, я не встретил ни одной, которая  удовлет-воряла бы всем нижеперечисленным требованиям:

–  простота; 

–  широкий диапазон регулирования мощности;

–  плавность (минимум дискретности) регулирования;

–  отсутствие постоянной составляющей на выходе;

–  возможность работы на нагрузку с индуктивной составляющей;

–  отсутствие помех;

–  работа коммутирующего элемента в максимально облегченном режиме;

–  наличие информативной индикации;

–  доступность деталей.

   Поэтому и появился регулятор, сделанный по представленной схеме.

   Основные характеристики регулятора

( при приведенных в схеме номиналах и типах элементов и с учетом того, что Тд, как у меня, не регулируется):

Максимальная мощность –  до 1,5 кВА (с соответствующим радиатором);

Диапазон регулирования мощности  –  11 – 100% (можно расширить);

Время действия Тд  ≈ 0,3 сек ( 15 периодов 50 Гц );

Максимальное время паузы Тп макс  ≈ 2,7 сек;

Максимальный ток, потребляемый схемой управления – 13 мА.

    Как и все подобные регуляторы мощности, путем небольших изменений, он может быть преобразован в автоматический регулятор температуры.

    Особенности регулятора:

– синхронизация моментов подключения/отключения нагрузки к/от сети с моментами нулевого значения напряжения сети (по периодам);

– симистор подключает/отключает нагрузку только в моменты начала/окончания действия (Тд), а не с каждым   полупериодом сети, как в некоторых      схемах. Учитывая, что симистор нагревается, в основном, в моменты   переключения, минимизация переключений облегчает тепловой режим и предотвращает возможные   искажения формы синусоиды;

– синхроимпульсы действуют в моменты "0" сетевого напряжения, а не при каких-то минимальных значениях    напряжения, как в некоторых схемах.  Это, опять же, предотвращает искажение формы синуса.

   Рассмотрим работу схемы.

   Переключениями симистора управляет генератор прямоугольных импульсов с изменяемой скважностью, собранный по схеме В.Агеева ( журнал "Радио" №3, 1989 г). Он состоит из двух нижних элементов И-НЕ микросхемы DD2, резисторов R1,R2,R3, диодов VD1.VD2 и конденсатора C1. Длительность импульсов определяется соотношением Tи (сек) =0,8 R1(мОм)C1(мФ), а длительность паузы Tпг = 0,8 R2(мОм)C1(мФ).

   Надо сказать, что Ти (длительность импульса генератора) не всегда будет равно Тд, а Тпг (длительность паузы генератора) не всегда равно Тп, хотя и очень близки. Почему это так, хорошо видно из поясняющих графиков.

    Формирователь синхронизирущих импульсов состоит из балластного резистора R11, двухстороннего (для полной симметрии) ограничителя на стабилитронах VD8,VD9, дифференцирующей цепи на R9,C3, отсекающего отрицательные импульсы диода VD6 и согласующего резистора R6. На выходе схемы формируются короткие остроконечные импульсы с крутым фронтом и коротким спадом, амплитудой около 8 В, с периодичностью равной периоду сетевого напряжения. Фронты импульсов достаточно точно совпадают с нулевыми значениями напряжения сети (см.рисунок выше).

   Импульсы от генератора и формирователя синхроимпульсов поступают на синхронизатор, состоящий из двух верхних элементов И-НЕ  DD2, трех нижних элементов И-НЕ  DD1 и элемента ИЛИ на диодах VD4,VD5 и резисторах R5,R7. Резистор R5 служит также для согласования выхода-входа, а R7 для задания смещения транзистора – делитель R7,R8. 

   Синхронизатор производит включение нагрузки при наличии на его входах импульса от генератора и синхроимпульса. Он удерживает симистор открытым до окончания импульса генератора и до поступления очередного импульса синхронизации. Схема должна "знать" свое предыдущее состояние, поэтому она анализирует логический уровень на собственном выходе (вход 5 DD1).

   С выхода синхронизатора управляющее напряжение поступает на базу транзисторного ключа, (VT1,R7,R8,R10 ) который, в свою очередь, управляет симистором. При наличии "0" на выходе синхронизатора, напряжение на базе транзистора отрицательное  – задается цепью смещения ( R7,R8 ) –транзистор открыт. Напряжение между коллектором и эмиттером близко к нулю – ток управляющего электрода симистора отсутствует – симистор закрыт. При поступлении на базу логической единицы – с делителя R5, R7, напряжение смещения и уровень лог.единицы складываются и, в результате, на базе получается примерно +0,7V – транзистор закрывется, напряжение на коллекторе резко возрастает и открывает симистор. Верхний элемент И-НЕ DD1 используется для индикации коммутации нагрузки. 

  В схеме использован двухполюсный источник питания с параметрической стабилизацией напряжения. Резистор R12 включен в схему для уменьшения скачка тока при включении. Измеренный ток удержания симистора всего 3,5 мА! (при нагрузке регулятора 40 Вт). Потребляемый схемой ток – 13 мА.  При необходимости, мощность стабилизатора может быть значительно увеличена – об этом ниже.  При использовании деталей и номиналов, указанных на схеме, регулятор не требует наладки.

  Некоторые соображения по поводу упрощения схемы и ее работы.

   Согласно даташитов на симисторы примененного типа (BT), они четырехквадрантные и хорошо управляются как положительным, так и отрицательным напряжением. Для BT-137-600E типичный ток отпирания положительным напряже-нием в наихудшем квадранте – 11 мА. Поэтому, транзисторный ключ, для данных симисторов, возможно, является лишним и этот каскад можно убрать, вместе с питающим его стабилизатором. Ключевой каскад был включен в схему "з запасом" – для надежности и на случай применения других, не столь чувствительных симисторов.  Нагрузочная способ-ность микро-схем 561 серии и их аналогов, по идее, должна обеспечить непосредственное управление симистором. 

   Значение допустимого тока для выходов К561ЛА7 в справочниках не приводится (во всяком случае, я его не нашел), но приводится максимальная мощность рассеяния микросхемы – 300 мВт. Этого вполне достаточно – по 75 мВт на каждый выход. Мощности параметрического стабилизатора  тоже должно хватить (если изменить номиналы некоторых элементов). Поэтому, я призываю энтузиастов-эеспериментаторов опробовать такую идею и сообщить результаты на форум.

   Конструкция и детали.

   В зависимости от предполагаемой мощности нагрузки, можно использовать разные симисторы, но они должны быть достаточно чувствительными – с отпирающим током не более 35 мА (с индексами D,E, для типа BT-13Х-Х или CW – для BTA2Х-Х, BTB2Х-Х ) и на напряжение не менее 600 В – BT136-600, BT138-600, BT137-800,  BTA(B) 24-26-600 или другие, с похожими параметрами. Скорее всего, если не убирать из схемы ключевой каскад, удасться использовать и другие симисторы, с относительно большими токами управления. Даже такой "мамонт" как КУ208Г, как показывает практика, может отлично управляться ключом на КТ361. Однако, эти симисторы имеют значительный разброс параметров –  попадаются как очень чувствительные, так и "дубовые". Стабилитроны стабилизаторов, при указанных в схеме номиналах элементов, работают в очень облегченном режиме. Если же мощность управляющего ключа окажется недостаточной, нужно будет постепенно увеличивать номинал C6, вплоть до 1,5 – 2 mF (больше стабилитроны Д814А могут не выдержать), а R10 уменьшить до 500 Ом – 1кОм. Сразу 2 mF не ставьте – придется R12  составное – 2х2 Вт ставить или одно на 5 Вт, или вообще его убрать, что понизит надежность схемы. Или, как вариант, поставить отдельные гасящие цепи для каждого табилизатора, с такими номиналами, как на схеме – для начала.  Возможно, надо будет увеличить номинал R8 – чтобы напряжение смещения транзистора осталось примерно – 1 В. В крайнем случае, если симистор "дубовый", можно еще увеличить мощность стабилизатора и ключа, если поставить два табилитрона в параллель (или один, но более мощный), заменить, на более мощный, транзистор и еще снизить сопротивление гасящей цепочки.

   Вместо К561ЛА7 можно использовать как её полный аналог – CD4011A, так и практически любые более старые или более современные микросхемы 4И-НЕ, с напряжением питания 8–15 B. Например К176ЛА7. Можно использовать микросхемы с напряжением питания 5 В, но тогда придется ересмотреть номиналы некоторых резисторов и типы стабилитронов.

   Пользуясь представленными таблицей значений булевой функции и её минимизированной алгебраической формой, используя теоремы, вы можете полностью переделать логику под какие-нибудь другие функционально полные системы элементов.

   Транзистор КТ361 с любым индексом. Его можно заменить на КТ3107 или любой другой маломощный p-n-p транзистор с подходящими параметрами.

   Диоды КД522 могут быть с любым буквенным индексом. Их можно заменть на любые маломощные импульсные или детек-торные, или диоды с барьером Шоттки. Вместо диодов КД226Д можно использовать любые выпрямительные диоды на обратное напряжение не менее 400 В. 

   Стабилитроны Д814А можно заменить на другие, с током стабилизации не менее 15 мА и напряжением стабилизации 7 – 15 В. И не забывайте, что можно использовать как последовательное включение стабилитронов (в том числе разного типа) – для увеличения напряжения стабилизации, так и параллельное – для увеличения тока.  Светодиод – любой маломощный, индикаторный. 

   Резисторы – не менее той мощности, что указана на схеме. Мощность R12 ( 1 Вт) приведена с небольшим запасом – на случай увеличения C6 до 0,33 мФ, но не больше. Я поставил R12 на 1 Вт, хотя на фото 2 Вт. Его номинал может лежать в пределах 910 Ом –  1,1 кОм.

   Потенциометр лучше с линейной функциональной характеристикой ( группа "А" ). Если такого не найдется, при том, что нужна будет очень плавная регулировка мощности или расширение диапазрна регулировки, сверх указанных границ, можно включить последовательно с R2 потенциометр 100 кОм, или около того. 

   Если не нужна регулировка длительности Тд, вместо переменного или подстроечного резистора R1, можно поставить постоянный.  У меня стоит 240 кОм. На плате есть место только для постоянного резистора  R1, переменный лучше вынести на корпус.

   Конденсаторы электролитические не менее указанной емкости, на напряжение не ниже 16 В. Остальные пленочные –  С5, С6 – на 630 В, другие на любое напряжение.

   Номинал предохранителя F1 выбирается в зависимости от максимального допустимого тока нагрузки и типа симистора. Номинал F2 –  0,25 или 0,15 (если найдете).

   Если вынести  держатель F2 (обязательно изолированный) на стенку корпуса, можно уменьшить размеры платы. Две –  три контактных площадки могут оказаться лишними, если разводка и пайка, части проводов, от сети и к нагрузке, будет делаться на выводах держателя предохранителя и выходных клеммах (розетке) для подключения нагрузки.

   Если будете уменьшать размеры платы, учтите, что толщина сетевых проводов и дорожек, подводящих ток к нагрузке,  должна быть достаточной. При 1,5 кВА (ток ок.7А), медный провод диаметром 0,203 мм (длина окружности 1,3 мм) сгорит. Но провода и дорожки не должны даже заметно нагреваться. Поэтому ответственные дорожки сделаны шириной 2мм (грубо говоря, это эквивалент провода диаметром 0,6 мм). Но этого может оказаться недостаточно, если ваш регулятор будет с более мощным симистором,  на мощность более 2 кВА.

   Как вы понимаете, нейтраль (N) и фаза (P) на схеме обозначены условно – для удобства. Схеме все равно – где будет нейтраль, а где – фаза.

   Регулятор собран на плате 90х100 мм. Её размер можно уменьшить раза в полтора, но в этом нет особого смысла, если регулятор будет мощным – с большим радиатором. На плате предусмотрены два отверстия для винтов крепления радиатора.

   Радиатор делается или покупается исходя из ваших потребностей и возможностей. Методику расчета радиаторов можно почитать здесь: https://radiokot.ru/articles/02/  В качестве радиатора у меня использована пластина из дюралюминия толщиной 2,1 мм. Для уменьшения размеров, она согнута под углом 90 градусов (см.фото). Для большей эффективности такого радиатора, желательно разместить симистор в его центре. Обязательно посадите симистор на теплопроводящую пасту. Предусмотрите в корпусе отверстия для вентиляции, если мощность регулятора будет большой.

Внимание! Радиатор, с указанным в схеме симистором, находится под напряжением сети. Он не должен касаться других деталей, его нельзя крепить снаружи корпуса. Если вы используете тип симистора с изолированным от радиатора "анодом", все равно рекомендую руководствоваться тем, что написано для не изолированного, т.к. изоляцию может пробить.   

   На схеме и на печатной плате предусмотрены технологические перемычки (S1 –  S4). Они могут пригодиться при наладке или ремонте устройства. 

Приложение - монтажная плата, монтажная схема и проект с ними, для SL5.0, в архиве.

С вопросами прошу на форум: https://www.radiokot.ru/forum/

Файлы:
Архив ZIP

Все вопросы в Форум.