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 ток протекает через светодиод оптрона U1.1 и транзистор этого оптрона открыт, поэтому на тактовом входе (выв.5) DD1.1 низкий уровень напряжения.
При отрицательной полуволне сетевого напряжения открыт транзистор оптрона U1.2 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. 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. Временная диаграмма показана на рис.2.
Выходной сигнал с триггера DD1.2 (выв.13) управляет транзистором VT1, который включает или выключает светодиод оптрона U2.1.
Транзистор этого оптрона управляет работой электронного ключа на IGBT транзисторах. IGBT (биполярный транзистор с изолированным затвором) можно рассматривать как соединение полевого и биполярного транзисторов.
Этот транзистор имеет три внешних вывода: эмиттер, коллектор, затвор. Сочетание двух приборов позволило объединить достоинство полевых и биполярных транзисторов: высокое входное сопротивление с высокой токовой нагрузкой и малым сопротивлением во включенном состоянии (падение напряжения составляет 1,5-2В.).
В отличие от полевых транзисторов в IGBT отсутствуют «паразитные» диоды, поэтому встречно-параллельно последнему может быть включен подходящий диод. Некоторые фирмы выпускают также транзисторы с обратным диодом. Они отличаются от обычных IGBT транзисторов наличием буквы D в обозначении прибора (например IRG4BC40UD). Эти транзисторы могут выдерживать короткое замыкание во внешней цепи в течение 10мсек. Подача положительного напряжения (4-6В) на затвор относительно эмиттера приводит к открытию транзистора (транзисторы с N каналом). Рассмотрим работу электронного ключа на основе двух встречно последовательно включённых IGBT транзисторах. Если на затвор подается низкий уровень напряжения (менее 4-6В), то транзисторы закрыты. Учтём, что защитные диоды транзисторов (если они есть, в противном случае их нужно поставить) включены катодом к эмиттеру. При положительной полуволне сетевого напряжения на фазе А защитный диод транзистора VT2 будет закрыт, следовательно, ток через нагрузку отсутствует (защитный диод транзистора VT3 открыт). Все напряжение будет приложено к транзистору VT2. При отрицательной полуволне сетевого напряжения на фазе А ситуация изменится на противоположную (защитный диод транзистора VT2 открыт, а защитный диод транзистора VT3 закрыт. Все напряжение будет приложено к транзистору VT3, ток через нагрузку отсутствует. Рассмотрим работу ключа при открытых транзисторах. При положительной полуволне на фазе А (защитный диод транзистора VT2 закрыт, а защитный диод транзистора VT3 открыт) ток нагрузки пойдет через открытый транзистор VT2, через параллельное соединение транзистора VT3 и его защитного диода (оба открыты). При отрицательной полуволне на фазе А (защитный диод транзистора VT2 открыт и образует параллельное соединение с открытым транзистором VT2) ток нагрузки пройдет далее через открытый транзистор VT3 (защитный диод закрыт). Пусть светодиод оптрона U2.1 не светит и тогда его транзистор будет закрыт. В результате на выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 будет присутствовать высокий уровень напряжения, а на выходе (вывод3) низкий. Транзисторы VT2,VT3 закрыты и нагрузка обесточена. Если светит светодиод оптрона U2.1, он открывает его транзистор. На выводах 2,6 инвертирующего триггера DA1 низкий уровень напряжения, а выходе 3 высокий уровень напряжения, который открывает полевые транзисторы VT2,VT3 и нагрузка получает питание. На микросхеме DA2 выполнен инвертирующий триггер Шмидта. Использование интегрального таймера DA1 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 IGBT транзисторах предназначен для коммутации мощных нагрузок с гальванической развязкой силовой цепи от цепи управления. 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. При подаче переменного напряжения на трансформатор TV1 на его вторичной обмотке наводится напряжение, которое после выпрямления мостом VD1и сглаживания конденсатором С2 питает инвертирующий триггер DA1. В качестве трансформатора TV1 используется готовый импульсный трансформатор МИТ-4ВМ. Частота импульсов, подаваемых на трансформатор должна составлять от 30 до 100кГц, напряжение 12-15В. Светодиод VD2 отображает работу электронного ключа. Если он светится, то ключ включен и нагрузка под напряжением. В противном случае ключ выключен. Желательно поставить яркий светодиод. Данный электронный ключ способен коммутировать как постоянный, так и переменный ток. Качество гальванической развязки между цепями управления и силовой зависит от импульсного трансформатора TV1. Хорошие результаты показывают трансформаторы серии МИТ. Допустимая мощность нагрузки зависит от мощности силовых транзисторов. Мощностью нагрузки может управлять компьютер, подавая на информационный вход DD1.1 (выв.5) 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).
