Практические устройства на тиристорах

Основой светорегуляторов и регуляторов мощности являются, как правило, тиристоры и симисторы. О работе этих полупроводниковых приборов было рассказано в предыдущих трех частях статьи, и теперь можно познакомиться с устройством некоторых практических устройств на тиристорах. Все схемы, которые будут рассмотрены, используют фазовый принцип регулирования, описанный в конце третьей части статьи.

Вначале давайте познакомимся с достаточно простыми схемами, содержащими небольшое количество деталей, и хотя бы поэтому, наиболее доступными для повторения в любительских условиях. Впрочем, схемы могут быть и более сложными, но алгоритм их работы все равно один и тот же – регулировка яркости источника света. Иногда встречаются схемы, сочетающие в себе собственно светорегулятор и сумеречный выключатель, либо схему плавного включения лампы. Но, вначале самые простые схемы.

Чтобы не возвращаться к каждый раз к предыдущей части статьи, пожалуй, этот рисунок вставим еще раз в этом месте текста.

Рисунок 1. Временные диаграммы фазового регулятора мощности

Вертикальная штриховка соответствует включенному состоянию тиристора, а мощность, подводимая к нагрузке, пропорциональна площади заштрихованных участков.

На рисунке 2 показана схема простого светорегулятора, позволяющего только лишь регулировать яркость светильника, безо всяких дополнительных функций.

Рисунок 2. Простой светорегулятор

Сетевое напряжение через предохранитель FU1 поступает на выпрямительный мост VD1 - VD4, в диагональ которого по постоянному току включен тиристор VS1 и лампа EL1. В некоторых схемах лампа включается в диагональ моста по переменному току, но это не принципиально. Тиристор применен достаточно мощный, что позволяет управлять нагрузкой до 1000Вт, как, и указано на принципиальной схеме. Если такая мощность не требуется, то тиристор можно заменить другим, например, из серии КУ202М, что позволит управлять яркостью лампы мощностью не менее 500Вт.

В регуляторе используется фазовый метод управления: на управляющий электрод тиристора поступают импульсы, которые сдвинуты по фазе относительно напряжения на аноде. Схема, вырабатывающая управляющие импульсы, построена на однопереходном двухбазовом транзисторе VT1 типа КТ117А. Зарубежных аналогов этот транзистор не имеет.

Основным назначением этого транзистора является построение простейших генераторов – пищалок, схем запуска импульсных блоков питания (применялся в блоках питания телевизоров серии 3УСЦТ), а также генераторов управляющих импульсов в схемах фазового регулирования, подобной рассматриваемой. Работает этот генератор следующим образом.

Выпрямленное сетевое напряжение через резисторы R3, R4 стабилизируется последовательно соединенными стабилитронами VD5 VD6 на уровне около 22 - 25В, что зависит от конкретных экземпляров стабилитронов. Это напряжение, кстати, пульсирующее, соответствует диаграмме а) на рисунке 1.

Этим пульсирующим напряжением через резисторы R6, R7 заряжается конденсатор C2. Как только напряжение на нем достигнет величины открывания однопереходного транзистора VT1 он открывается и конденсатор C1 разряжается через его переход Б2 – Б1, резисторы R1, R2 и УЭ тиристора VS1, в результате чего формируется управляющий импульс, тиристор открывается и ток проходит через нагрузку. Когда выпрямленное пульсирующее напряжение проходит через ноль, тиристор закрывается и остается в закрытом состоянии до прихода следующего открывающего импульса.

Скорость заряда конденсатора C2 регулируется резистором R7. Когда его сопротивление минимально (движок выведен влево по схеме), скорость заряда максимальна, тиристор откроется в самом начале полупериода, пропуская в нагрузку максимальную мощность. При перемещении движка резистора R7 вправо по схеме скорость заряда конденсатора C2 снижается, поэтому управляющий тиристором VS1 импульс будет сформирован позднее. Поскольку это регулирование фазовое, а фаза измеряется угловыми единицами - радианами, говорят, что импульс формируется при определенном угле, в данном случае более позднем, чем при максимальной мощности в нагрузке. Именно этот процесс показан на рисунке 1 на диаграммах б, в, г.

На схеме пунктирной линией показаны светодиод HL1 и резистор R8. Их назначение показать, что устройство подключено к сети, а также контроль исправности лампы, если, конечно регулятор уведен на минимум. Но, собственно регулятор вполне работоспособен и без этого дополнения, или как теперь не скажут опции.

Настройка устройства достаточно проста. При выведенном до нуля резисторе R6 подбирается резистор R7 таким образом, чтобы яркость лампы была максимальной. Эта настройка зависит от величины конденсатора C2, значение которого также может потребовать подбора в пределах, указанных на схеме.

Рис. 3. Самодельный светорегулятор

В рассмотренной схеме в качестве коммутирующего элемента используется тиристор, поэтому, чтобы было возможно регулировать и положительную и отрицательную полуволну сетевого напряжения в схеме приходится применять диодный мост достаточно большой мощности.

Если же мощность нагрузки близка к максимально допустимой, то тиристор, а вместе с ним и диоды моста придется устанавливать на теплоотвод – радиатор, что еще больше увеличивает габариты устройства и трудоемкость его изготовления. Чтобы избавиться от применения мощного выпрямительного моста применяется встречно – параллельное включение двух тиристоров, что тоже не совсем удобно и технологично.

Гораздо лучшие результаты дает применение симметричных тиристоров – симисторов: в одном корпусе уже содержится два встречно – параллельно включенных тиристора. На рисунке 4 показана доработанная схема с использованием симистора.

Рисунок 4. Светорегулятор на симисторе

Небольшая доработка схемы позволит несколько уменьшить ее габариты, при этом мощность нагрузки остается той же самой. Узел запуска тиристора выполнен также на однопереходном транзисторе КТ117А, вот только нагружен транзистор на согласующий трансформатор Т1. Такое согласование необходимо для того, чтобы получить управляющие импульсы без постоянной составляющей. Это дает возможность открывать симистор как в положительные, так и в отрицательные полупериоды сетевого напряжения.

Согласующий трансформатор выполнен на ферритовом кольце типоразмера К16*10*4 из феррита самой распространенной марки НМ2000. Обмотка 1 содержит 80, а обмотка 2 - 60 витков провода ПЭЛШО-0,12. Перед намоткой острые кромки кольца следует притупить наждачной бумагой или алмазным надфилем, чтобы избежать повреждения изоляции, а само кольцо обмотать лентой из тонкой лакоткани, в крайнем случае, липкой лентой скотч.

Выпрямительный мост VD1 - VD4 используется только для питания узла регулировки, а также нового элемента схемы – узла плавного запуска нагрузки. Поэтому диоды в нем маломощные, кроме указанных на схеме можно применить 1N4007, подходят почти на все случаи жизни. Узел плавного запуска собран на транзисторах VT2, VT3.

Его работа происходит следующим образом. При включении питания конденсатор C2 начинает заряжаться по цепи VD6, R10. Через диод VD5 напряжение на конденсаторе C2 начинает открывать транзисторы VT3 и VT2. Сопротивление участка эмиттер – коллектор транзистора VT2 уменьшается, поэтому плавно уменьшается общее сопротивление участка R4, VT2, R5, и также плавно возрастает скорость зарядки конденсатора C1, яркость свечения лампы увеличивается.