Назначение
В литературе и на радиолюбительских ресурсах в сети приведено немало различных схем регуляторов мощности, от простых на одном тиристоре до довольно сложных, с микроконтроллерным управлением.
Однако в подавляющем большинстве конструкций таких регуляторов используется фазовый метод управления выходными тиристорами, поэтому они неизбежно создают импульсные помехи, интенсивность которых возрастает с увеличением мощности нагрузки.
Для управления нагрузкой, обладающей значительной инерционностью, например электронагревателями, больше подходит другой метод регулирования мощности – изменение числа проходящих через нагрузку полных периодов сетевого напряжения.
Такой метод, в отличие от фазового, позволяет открывать выходные тиристоры в самом начале каждого полупериода сетевого напряжения, что значительно снижает уровень помех, создаваемых регулятором мощности.
Дополнительным преимуществом этого метода является возможность использования в качестве выходного коммутирующего элемента симисторного твердотельного оптоэлектронного реле, содержащего в своём составе детектор перехода сетевого напряжения через ноль.
Такие реле управляются постоянным напряжением и позволяют коммутировать ток в десятки и сотни ампер, поэтому выходной узел, построенный с применением твердотельного реле, получается сравнительно простым.
Схема электрическая и принцип работы
В течение каждого положительного (относительно нулевого провода) полупериода сетевого напряжения через излучающий диод оптопары DA1 протекает ток, поэтому фототранзистор оптопары открывается в начале и закрывается в конце каждого положительного полупериода, формируя на входе E1 (выводе 2) счётчика DD1.1 практически прямоугольные импульсы, следующие с частотой 50 Гц.
По спаду каждого импульса счётчик DD1.1 увеличивает своё состояние на единицу, и на его выходах формируется двоичный код, соответствующий числу подсчитанных полных периодов сетевого напряжения. После поступления на вход 16-го импульса счётчик переполняется, и счёт импульсов начинается сначала.
Счётчик DD1.2 работает как RS-триггер и обеспечивает пропуск в нагрузку требуемого для установленного уровня мощности числа полных периодов сетевого напряжения.
После каждого переполнения счётчика DD1.1 на входе E2 (выводе 10) счётчика DD1.2 формируется спад напряжения, в результате чего счётчик DD1.2 увеличивает своё состояние на единицу и самоблокируется путём подачи на вход С2 (вывод 9) высокого логического уровня с выхода Q1.
Напряжение на этом выходе открывает полевой транзистор VT1, в цепь стока которого включён излучающий диод симисторного твердотельного реле DA2, подающего сетевое напряжение на нагрузку. При появлении на входе R2 (выводе 15) счётчика DD1.2 высокого логического уровня он возвращается в исходное состояние, полевой транзистор закрывается, и нагрузка отключается от сети.
Выключатели SA1…SA4 служат для установки мощности, выделяемой на нагревателе. Каждый из выключателей, подключённых через развязывающий диод к соответствующему выводу счётчика DD1.1, имеет свой «вес», соответствующий числу подаваемых в нагрузку полных периодов сетевого напряжения в процентах от полной мощности.
Если замкнут только выключатель SA1, в нагрузку поступит только один из шестнадцати периодов сетевого напряжения, что соответствует 100/16 или 6,25% полной мощности нагрузки. При замкнутом выключателе SA2 в нагрузку будут поступать два из шестнадцати периода, т.е. 12,5% мощности, а при одновременном включении нескольких выключателей мощность будет определяться суммарным «весом» этих выключателей.
Таким образом, устройство обеспечивает 16 ступеней регулирования мощности нагрузки, начиная от 0 (все выключатели разомкнуты) и до 93,75% (все выключатели замкнуты) с шагом 6,25%.
При каждом переполнении счётчика DD1.1 счётчик DD1.2 переходит в единичное состояние на выходе Q1 и включает твердотельное реле DA2, которое остаётся включённым в течение заданного выключателями числа полных периодов сетевого напряжения.
По достижении на выходах счётчика DD1.1 двоичного числа, соответствующего заданному выключателями уровню мощности, на выводе 15 счётчика DD1.2 появляется высокий логический уровень и триггер, построенный на этом счётчике, возвращается в исходное состояние, отключая твердотельное реле.
При следующем переполнении счётчика DD1.1 триггер снова переключается в единичное состояние, и процесс повторяется.
Диод VD6 служит для обеспечения правильной работы регулятора при установленной мощности 50%. Дело в том, что в случае включения только выключателя SA4 спад высокого логического уровня на выводе 10 DD1.2 будет совпадать со спадом высокого логического уровня на его входе сброса, поэтому счётчик DD1.2 не сможет переключаться и мощность на нагрузке будет равна нулю.
Наличие диода VD6 обеспечивает появление на входе R счётчика DD1.2 низкого логического уровня сразу после прохождения сигнала сброса, обеспечивая тем самым корректную работу счётчика при установленной мощности 50%.
Переключатель SA5 служит для управления режимом работы. В положении «Регулятор» минусовый вывод твердотельного реле DA2 подключается к выходу регулятора мощности, в положении «Выкл.» нагрузка отключена, а в положении «Полная мощность» на нагрузку поступает всё напряжение сети и регулятор не работает.
По частоте вспышек индикаторного светодиода HL1 можно ориентировочно судить о величине мощности, поступающей в нагрузку. Конденсаторы С2…С4 подавляют помехи на соответствующих входах микросхемы DD1, конденсатор С1 – блокировочный в цепи питания этой микросхемы.
Устройство питается напряжением 5 В, поступающим с выхода импульсного источника питания (использован адаптер зарядки для смартфона). Для питания устройства также можно использовать любой подходящий стабилизированный источник с выходным напряжением 5...14 В и током нагрузки не менее 50 мА, увеличив сопротивление резисторов R1, R3, R5 пропорционально величине питающего напряжения.
Детали
В устройстве можно применить резисторы любого типа, при этом мощность резистора R2 должна быть не менее 1 Вт. Неполярные конденсаторы – К10-17Б, диод VD1 – с допустимым обратным напряжением не менее 400 В, остальные диоды – любые маломощные выпрямительные или импульсные.
Микросхему можно применить отечественную К561ИЕ10. Полевой транзистор 2N7000 можно заменить транзисторами BS170, КП501. Транзисторная оптопара DA1 – любая с напряжением изоляции не менее 1000 В.
Твердотельное реле BDH-25044.ZD3 управляется постоянным напряжением 3...32 В и способно коммутировать ток до 250 А при активной нагрузке. При токе нагрузки до 5 А это реле можно использовать без теплоотвода, а при большем токе реле следует установить на теплоотвод с использованием теплопроводной пасты.
На месте DA2 также можно использовать любое твердотельное реле с нуль-детектором и требуемым током нагрузки или применить узел на симистором оптроне и двух тиристорах.
Собранный правильно и из исправных деталей регулятор мощности начинает работать сразу и в налаживании не нуждается. В том случае, если на выходе регулятора отсутствуют импульсы (светодиод HL1 не светит или светит постоянно), следует уменьшить сопротивление резистора R2, добиваясь устойчивого открывания фототранзистора оптопары.
