Регулятор мощности на три киловатта
Это схема фазоуглового регулятора мощности, собрана из подручных компонентов. Может использоваться для регулировки мощности электроплит, ламп накаливания, ТЭНов и тому подобных приборов, нетребовательных к форме питающего переменного тока.
По сравнению с некоторыми вариантами подобных регуляторов, например, по сравнению с распространенными диммерами на симисторе, эта схема имеет некоторое преимущество, а именно: в режиме подачи половины и более мощности на нагрузку, один из полупериодов переменного тока сохраняет неизменную форму, что может быть полезно. Кроме того, данный регулятор может выполнять функцию выпрямителя.
Как и прочие фазоугловые регуляторы, этот также несовместим с бесколлекторными двигателями переменного тока (например, газонокосилка со щеточно-коллекторным двигателем работает и управляется, а бытовой вентилятор - не работает).
https://i.postimg.cc/nVk0f9xs/regulator-mosi.jpg
https://i128.fastpic.org/big/2026/0928/4a/3de811a8722dbe1bbda4877b770a074a.jpg
https://i.ibb.co/21x5MQwV/image.jpg
Энергия в российской электросети представляет собой переменный ток, состоящий из равных по величине положительных и отрицательных полупериодов, чередующихся 50 раз в секунду. Данный диммер-регулятор мощности состоит из двух плеч, управляющих, соответственно, положительным и отрицательным полупериодами.
Проще говоря, схема имеет две "ручки управления" - "грубой" и "тонкой" настройки. "Грубая" настройка сразу управляет 50% мощности, а другие 50% управляются "тонко", что вместе дает гибкую регулировку подачи от 0% до почти 97% мощности на нагрузку (почему "почти" - об этом ниже).
"Положительное" плечо состоит из: диодов силовых VD1-2, токовыравнивающего реактора LR1 и переключателя SA1.
"Отрицательное" плечо состоит из: диода маломощного VD3, тиристора VS1, симметричного динистора (диака) VS2, резисторов R1-4, конденсаторов C1-2.
Предохранитель F1 представляет собой одноразовую плавкую вставку и не позволяет развить протекающий ток выше 16 ампер. В случае превышения он перегорает и тем самым предотвращает возможность короткого замыкания. Предохранитель такого номинала не защищает от перегрузки при сниженной мощности, так как 16 ампер, проходящие только по одному из плеч могут сжечь схему.
Будьте внимательны! Сначала надо выставить полную мощность при подключении неизвестной нагрузки, выдержать регулятор несколько минут под полной мощностью и только затем снижать ее, это позволит предохранителю безопасно сработать, если нагрузка окажется слишком велика.
Если же вы хотите гарантированно защитить схему от любых возможных перегрузок, следует вставить F1 номиналом 8 ампер. Но тогда максимальная мощность схемы будет ограничена вдвое.
Так как на момент сборки схемы в хозяйстве не было диодов с допустимым током более пяти ампер, а на "положительном" плече надо обеспечить несколько больше, оставалось только соединить два диода одной модели в параллельную пару.
Но сделать это непосредственно нельзя - каждый диод хоть немного, но отличается по проводимости от другого такой же модели, пусть и из той же партии. А это значит, что через один из двух диодов на расчетной нагрузке будет течь ток выше допустимого и без специального "балласта", уравнивающего ток через оба диода, схема может сгореть.
В качестве такого "балласта" применена система из двух одинаковых катушек, намотанных на одном кольцевом сердечнике так, что каждая из катушек одинаково размагничивает другую, а если по одной из катушек потечет ток больший, чем по другой, то избыточная часть мощности будет передана в противоположную катушку посредством индуктивной связи. Так мощность, протекающая по каждому из двух диодов, будет равномерно распределена.
Этот магнитосвязанный реактор LR1 был изготовлен так: вначале были скручены две одинаковые токопроводящие жилы. Жила состоит из 4 скрученных проволочек ПЭТВ-2 толщиной 0,4 мм, длиной по 60 сантиметров каждая (в расчете не более 1 ампер тока на проволочку). Затем жилы были намотаны на сердечник - ферритовое кольцо размером R25x15x10 марки PC40.
Сначала на ферритовое кольцо было намотано пару слоев тефлоновой ФУМ-ленты, чтоб не оцарапать изоляцию жил об твердый феррит. Потом была намотана первая жила, от "начала" к "концу". Затем вторая жила была соединена с первой и дальше намотана в том же направлении, что и первая. Таким образом вторая жила была намотана от "конца" к "началу" и каждая жила равномерно разместилась на "своей" половине кольца, каждая из жил имеет по 18 витков вокруг сердечника. Края жил были зачищены и соединены согласно схемы. Место соединения двух жил это "конец" реактора, места подключения отдельных жил к диодам - "начала".
Результаты замеров индуктивностей при помощи показометра MT-TC1 (в смысле, прибор неточен, но пригоден для грубой оценки параметров схем):
Между "началом" 1-й жилы и "концом" - 2,74 миллигенри;
Между "началом" 2-й жилы и "концом" - 2,73 миллигенри;
Между "началом" 1-й жилы и "началом" 2-й жилы - 8,35 миллигенри;
Между одновременно двумя "началами" жил и "концом" - нулевая индуктивность.
https://i.postimg.cc/bYT3fShM/kollazik-novyj.jpg
https://i128.fastpic.org/big/2026/0928/d3/6227ae80890ceb760222bd85f138a1d3.jpg
https://i.ibb.co/TM6Zdhfy/image.jpg
Выравнивающая способность реактора небезгранична. Индуктивность каждой из двух обмоток реактора, согласно замерам, составила около 2,735 миллигенри. Соответственно, на частоте электросети (50 Гц) реактивное сопротивление каждой из обмоток составляет 0,86 Ом.
С учетом материала и геометрии примененного в схеме сердечника, максимальная разность токов между обмотками, при которой наступит его насыщение, составляет около 0,25 ампер.
Вообще, этот токовыравнивающий реактор способен скомпенсировать не более 0,86*0,25=0,22 вольт разности прямого падения напряжения между двумя диодами VD1 и VD2. С другой стороны, 0,25 ампера "разности токов" составляют 5% от номинала диодов в 5 ампер, что приемлемо.
При выключенном переключателе SA1 ток через "положительное" плечо не идет, при включенном - проходит весь. Сам переключатель должен быть рассчитан на прохождение через него максимального тока "положительного" плеча, лучше взять переключатель с запасом по току.
Несколько сложнее устроено "отрицательное" плечо, оно позволяет регулировать протекающую мощность более тонко, чем простое "включено-выключено".
"Отрицательное" плечо регулируется тиристором VS1, который открывается по сигналу от управляющей цепи. Для открытия VS1 необходимо подать положительный сигнал на его электрод управления. Сигнал формируется так: вначале через резисторную цепь R2-4 подзаряжается конденсатор C2. Когда напряжение на конденсаторе достигает величины около 32 вольт, происходит резкое открытие VS2, на электрод управления подается сигнал и VS1 открывается. Поэтому через это плечо мощность всегда передается не полностью, присутствует "ступенька" - некоторое отсечение тока по времени, пока не достигнут потенциал открытия VS2. В данном случае отсекается, по показаниям осциллографа, около 2,5% от общей мощности, угол отсечения - около 9 градусов.
При малом токе подзарядки C2 сигнал подается не в каждый раз, а раз в несколько полупериодов.
Так как на электрод управления, во избежание разрушения тиристора, запрещено подавать импульсы во время обратного включения (то есть "положительного" полупериода), в схеме применен маломощный диод VD3, который обеспечивает одностороннее протекание тока в управляющей цепи.
Резистор R4 - переменный, что позволяет регулировать скорость подзарядки C2 и момент открытия VS1. Так регулируется мощность, протекающая через это плечо. Вся цепь R2-4 образует делитель напряжения.
R2 крайне важен, поскольку ограничивает максимальный ток в управляющей цепи при полной мощности плеча. Расчет R2 таков:
1) Согласно даташиту на VS1 (BT151-800R), пиковая допустимая мощность на управляющем электроде (peak gate power) составляет 5 ватт. Открытие VS1 происходит по сигналу от VS2, который сам открывается, согласно даташиту (DB3), при достижении напряжения около 28-36 вольт.
2) Отсюда, максимально допустимый ток в момент открытия равен 5/36=139 миллиампер. Для такого тока нужно сопротивление 36/0,139=259 Ом.
3) Ближайший к этому значению номинал из ряда E24 - 270 Ом, округление в большую сторону для безопасной работы прибора. Таким образом, R2 может быть от 270 Ом и больше. Чем больше его значение, тем больше будет "ступенька" - угол отсечения в режиме максимальной мощности плеча.
R3 выполняет вспомогательную функцию, так сказать, "сокращения мертвой зоны" регулировки мощности плеча, потому что плечо начинает включаться не сразу, а только при некотором повороте ручки регулятора R4. R3 уменьшает минимальную величину этого поворота для начала открывания VS1. В принципе, можно обойтись вообще без R3, схема будет работать и так, но точность управления станет меньше. Расчет R3 таков:
1) Амплитуда сетевого напряжения составляет 311 вольт (220 вольт эффективного напряжения умножить на корень из двух). R2-4 образуют делитель напряжения и для того, чтоб VS2 не открывался в минимальном режиме регулятора, напряжение на нем должно быть при этом меньше 28 вольт.
2) Сумма R2+R4 составляет 100,3 кОм, на них должно упасть 311-28=283 вольт. На R3 должно упасть 28 вольт и по пропорции R1=100,3*28/283=9,924 кОм.
3) Ближайший номинал из ряда E24 - 9,1 кОм, округление в меньшую сторону для безопасности. Поэтому R3 может быть от 9,1 кОм и меньше.
Для улучшения температурной стабильности плеча подключена цепь C1-R1. При нагревании VS1 начинается его самопроизвольное открывание из-за возрастания внутреннего тока утечки с анода на управляющий электрод. Во время отрицательного полупериода и при подаче управляющего импульса R1 ослабляет положительные токи - ток утечки и ток управляющего импульса, С1 отводит ВЧ помехи от электрода управления и сглаживает бросок тока при подаче импульса.
Номинал R1 взят исходя из справочной информации и приблизительного расчета. В самом даташите на VS1 упоминается применение resistor gate-cathode номиналом 100 Ом для увеличения критической скорости нарастания напряжения. Традиционно во многих схемах к силовым тиристорам прилагают между катодом и управляющим электродом сопротивление 51 Ом. Чем меньше это сопротивление, тем лучше стабильность, но тем больший ток требуется на управляющем электроде для открывания VS1.
Для открывания VS1 достаточно напряжения в полтора вольта (gate-trigger voltage), в то время как от VS2 подается не менее 28 вольт. Наиболее актуальна термостабилизация при максимальной мощности, проходящей через тиристор.
Поэтому цепь R1-2 можно рассмотреть как делитель напряжения. Если на R1 падает 1,5 вольт, то на R2 падает 28-1,5=26,5 вольт. Значит, R1=300*1,5/26,5=17 Ом.
Округлив в большую сторону до ближайшего номинала из ряда E24 - R1 может быть от 18 Ом и больше.
Работает ли вообще эта термостабилизация? Это можно оценить путем перегрузки. В ходе опытов по перегрузке при подаче мощности выше допустимой на схему без C1-R1 от момента запуска до "залипания" тиристора прошло 3:50. Схема с термостабилизацией при тех же условиях выдержала 5:10, что на 35% времени больше. Смысл в этом явно есть, но схему лучше не перегружать!
Попытки использовать вместо VS2 что-то другое были безуспешны. Если подключить управляющую цепь напрямую к электроду управления без этого компонента, то схема не позволяет пропускать в целом меньше 25% мощности (то есть нельзя выставить "фазовый угол отсечения" более 90 градусов) и работает очень неустойчиво, тогда протекающая через "отрицательное" плечо мощность самопроизвольно то увеличивается, то уменьшается. Если вместо VS2 поставить стабилитрон, то плечо работает устойчивее, но управление малой мощностью все так же недоступно. Лучший результат достигнут с симметричным динистором, с ним достигнуто самое точное и полное управление мощностью.
Вся схема была смонтирована на макетной плате и помещена в простейший скворечниковидный корпус. В ходе монтажа на плату выводы катода и анода VS1 были немного разведены в стороны для безопасности работы, для предотвращения замыкания. В схеме не предусмотрено принудительного охлаждения, в то время как надо отводить тепло от компонентов схемы и нужно иметь доступ к заменяемому компоненту схемы - предохранителю F1, поэтому этот корпус не имеет сплошной крышки. При неосторожном использовании есть риск получить удар током. Будьте осторожны и делайте лучше, чем в этом примере!
Для отвода тепла тиристор VS1 был размещен на пяти алюминиевых радиаторах размером 20х15х11 мм, так как одного радиатора оказалось недостаточно, радиаторы были сначала притерты гранями друг к другу с пастой ГОИ, затем винтами прижаты к общей планке с некоторым натягом, стыки радиаторов промазаны термопастой. При монтаже в корпус "башня" из радиаторов была нежестко скреплена с одной из стенок корпуса болтом и гайкой для устойчивости.
Так делать нельзя! Даже если это работает!
Если будете повторять, сразу используйте радиатор гораздо крупнее размером, с большой площадью рассеивания тепла. Так или иначе, радиатор должен рассеивать не менее 17,5 ватт мощности, при этом не нагревая тиристор выше 125 градусов Цельсия (характеристика junction temperature).
Почему 17,5 ватт? Потому, что на открытом VS1 падает до 1,75 вольт напряжения (on-state voltage), а нужно обеспечить ток до десяти ампер, с запасом, в результате перемножения получаем это число.
Вход схемы устроен через обычную вилку для розетки, а выход - через винтовые клеммы 6 мм диаметром (это не важно, можно делать иначе).
Максимально схема коммутирует до 16 ампер тока, что при напряжении 220 вольт означает нагрузку до 3,5 киловатт полной мощности. Это максимальная мощность, на которой схема была испытана автором непрерывно в течение двух часов, при этом была полная управляемость схемы. Но так как всегда надо оставлять запас, в заголовке указано, что эта схема рассчитана на три киловатта.
Фото схемы без корпуса сверху или Первый блин комом:
https://i.postimg.cc/GhmzL33m/regulator-sverhu.jpg
https://i128.fastpic.org/big/2026/0928/22/d653e0b145f0d286d28ac472e1027c22.jpg
https://i.ibb.co/sJ9dBMC0/image.jpg
Фото платы снизу:
https://i.postimg.cc/tC4DqRRY/regulator-snizu.jpg
https://i128.fastpic.org/big/2026/0928/76/6da85f8d1a588ba33ee7bbcbc7ca6576.jpg
https://i.ibb.co/twHHkp6J/image.jpg
Но все не так просто! Выявилось, что первоначально использованный переключатель был слаб и приплавился. Переключатель был заменен на более мощный, типа KCD3, без изменений схемы по существу. С этим переключателем схема была испытана и работает стабильно.
Итоговое фото схемы в корпусе:
https://i.postimg.cc/ryJQ2RTD/regulator-korpus.jpg
https://i128.fastpic.org/big/2026/0928/5d/f69c8c29933497397dd17593e57bfb5d.jpg
https://i.ibb.co/Mk7JTv1f/image.jpg
Видео испытания регулятора в деле (нагрузка - лампа накаливания на 60 ватт и ТЭН на 3,5 киловатта):
https://drive.proton.me/urls/EPAQXSXNVC#r9ejTc0MhJu7
https://mega.nz/file/tUlxRCDC#kTWt2GFQeS2cD8Ybq_IXz9QRQ8Y42nZBuF9GIMsdF5g