Особенностью регулятора мощности является коммутация силовых транзисторов в момент перехода сетевого напряжения через нуль.
Мощность регулируется изменением числа периодов напряжения, действующих на нагрузку, а значит, не приводит к образованию в потребляемом токе постоянной составляющей. Постоянная составляющая способна вызвать подмагничивание магнитопроводов трансформаторов и электродвигателей, подключенных к сети.
Принципиальная схема регулятора мощности представлена на рис.1. Синусоидальное напряжение через резистор R1 поступает к узлу синхронизации, выполненному на сдвоенном оптроне U1.
При положительной полуволне (выв.А) ток протекает через светодиод оптрона U1.2 и транзистор этого оптрона открыт, поэтому на тактовом входе (выв.5) DD1.1 низкий уровень напряжения.
При отрицательной полуволне сетевого напряжения открыт транзистор оптрона U1.1 и тактовом входе DD1.1 также низкий уровень. Но в моменты, когда сетевое напряжение переходит через нуль, оба светодиода выключены, транзисторы оптронов закрыты, а тактовом входе DD1.1 на короткие отрезки времени появляются уровень 1. В результате этого уровень 1 появляется на тактовом входе DD1.1 только в момент перехода через нуль сетевого напряжения. Эти импульсы с частотой 100 Гц приходят на делитель на 2, выполненный на D-триггере DD1.1. Выходной сигнал с частотой 50 Гц поступает на тактовый вход D-триггера DD1.2. На информационный вход этого триггера поступают прямоугольные импульсы от генератора с регулируемой скважностью. Широтноимпульсный регулятор выполнен на микросхеме DA1. Генератор выполнен на микросхеме IR2153, представляющий собой драйвер мощных полевых транзисторов с изолированным затвором. Микросхема содержит внутренний генератор, аналогичный генератору на таймере серии 555. Особенностью этой микросхемы является наличие интегрированного выходного драйвера плавающего уровня с максимальным рабочим напряжением 600В (у нас он не используется). Внутренний параллельный стабилизатор предотвращает превышение питающего напряжения в 15В, а блокировка по пониженному напряжению выключает оба выхода управления затворами полевых транзисторов, когда напряжение питания падает ниже 9В. Микросхема имеет два управляющих выхода (выв.5,7). Частота внутреннего генератора зависит от номиналов элементов времязадающей цепи R3R4,C1 и равна ~ 5Гц. С выхода микросхемы импульсы через резистор R5 поступают на затворы транзисторов VT1-VT2 электронного ключа. Сигнал с информационного входа передаётся на выход триггера DD1.2 по фронту тактового импульса. Таким образом, осуществляется привязка информационного импульса к моменту перехода сети через нуль.
Длительность минимального импульса с триггера DD1.2 равна 20мсек. (один период сетевого напряжения) и далее она увеличивается кратно по 20 мсек. Выходной сигнал с триггера DD1.2 (выв.13) управляет работой инвертирующего триггера DA2.
Подача положительного напряжения (4-6В) на затвор относительно истока приводит к открытию транзистора (транзисторы с N каналом). Рассмотрим работу электронного ключа на основе двух встречно последовательно включённых полевых транзисторах. Если на затвор подается низкий уровень напряжения (менее 4-6В), то транзисторы закрыты. Учтём, что защитные диоды транзисторов включены катодом к эмиттеру. При положительной полуволне сетевого напряжения на фазе А защитный диод транзистора VT1 будет закрыт, следовательно, ток через нагрузку отсутствует (защитный диод транзистора VT2 открыт). Все напряжение будет приложено к транзистору VT1. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на фазе А ситуация изменится на противоположную (защитный диод транзистора VT1 открыт, а защитный диод транзистора VT2 закрыт. Все напряжение будет приложено к транзистору VT2, ток через нагрузку отсутствует. Рассмотрим работу ключа при открытых транзисторах. При положительной полуволне на фазе А (защитный диод транзистора VT1 закрыт, а защитный диод транзистора VT2 открыт) ток нагрузки пойдет через открытый транзистор VT1, через параллельное соединение транзистора VT2 и его защитного диода (оба открыты). При отрицательной полуволне на фазе А (защитный диод транзистора VT1 открыт и образует параллельное соединение с открытым транзистором VT1) ток нагрузки пройдет далее через открытый транзистор VT2 (защитный диод закрыт). Временная диаграмма показана на рис.2. Пусть на прямом выходе D-триггера DD1.2 присутствует высокий уровень напряжения. В результате на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA2 также будет присутствовать высокий уровень напряжения, а на выходе (вывод 3) низкий. Транзисторы VT1,VT2 закрыты и нагрузка обесточена. Если на прямом выходе триггера DD1.2 присутствует низкий уровень напряжения, то на выводе 3 инвертирующего триггера DA2 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT1,VT2 и нагрузка получает питание. На микросхеме DA2 выполнен инвертирующий триггер Шмидта. Использование интегрального таймера DA2 в качестве инвертирующего триггера Шмидта позволяет также улучшить работу схемы. Как видно из схемы - затворы подключены к выводу 7 DA2. Это позволяет шунтировать затворы напрямую к общему проводу при низком выходе (уровень 0), что улучшает помехоустойчивость. Да и сам триггер DA2 имеет гистерезис входных напряжений в 1/3Vсс и 2/3Vcc напряжения питания. Силовой электронный ключ на мощных полевых транзисторах предназначен для коммутации мощных нагрузок. Коммутируемый ток, напряжение и сопротивление ключа в открытом состоянии определяются типом примененного транзистора и могут изменятся в пределах от единиц до тысячи ампер, от десятков до сотен вольт и от тысячных долей до единиц Ом. Напряжение гальванической развязки определяется типом применённого оптрона и может составлять единицы киловольт. Данный ключ является аналогом электромагнитного реле с одним ключом, но превосходящий аналог по числу коммутаций, быстродействию, надежности и, кроме того, совместим по управлению с логическими микросхемами. Данный электронный ключ способен коммутировать как постоянный, так и переменный ток. Допустимая мощность нагрузки зависит от мощности силовых транзисторов. Мощностью нагрузки может управлять компьютер, подавая на информационный вход DD1.2 (выв.9) цифровой сигнал. Уровень 0 – нагрузка обесточена, уровень 1- нагрузка включена на полную мощность, импульсный сигнал – регулирование мощности.
Достоинством данного регулятора является отсутствие высокочастотных помех, т.к. коммутация нагрузки происходит при низком напряжении (момент перехода сети через нуль).
Питание устройства осуществляется посредством выпрямительного узла. Он содержит выпрямительный мост VD4, ограничительных сопротивлений R6,R7, конденсатора С3, стабилитрона VD3. Работает этот выпрямитель следующим образом. При подаче отрицательной полуволны на вывод А ток идет через защитный диод транзистора VT1, стабилитрон VD3, мост VD4, далее по двум ветвям (конденсатор С3, резисторы R6,R7) - вывод N. Как известно из электротехники ток через резистор совпадает с напряжением по фазе, а на конденсаторе ток опережает напряжение на 90гр. Сначала ток идет через конденсатор С3, а затем по истечению времени в четверть периода сетевого напряжения ток начинает протекать через резисторы R6,R7. На рис.3 показаны временные диаграммы работы выпрямителя. Цифрой 1 – ток проходит через конденсатор С3, цифрой 2 – ток проходит через резисторы R6,R7, цифрой 3 – результирующий ток через стабилитрон VD3. Такая схема выпрямителя позволяет резко улучшить работу выпрямителя при меньшей величине емкости слаживающего конденсатора С2. При подаче положительной полуволны на вывод А выпрямительный узел не работает, так как защитный диод транзистора VT1 закрыт. Такая схема выпрямителя позволяет резко улучшить работу выпрямителя при меньшей величине емкости слаживающего конденсатора С2.
Регулятор очень хорошо подходит для регулирования скорости оборотов конденсаторных однофазных электродвигателей, поскольку конденсатор остается штатным, и нет подмагничивания магнитопровода электродвигателя. Использование преобразователя частоты для электродвигателя малой мощности нерентабельно.
Регулятор позволяет также регулировать выделяемую тепловую мощность электрического нагревателя.
