Регуляторы мощности различных нагрузок в цепях переменного тока (диммеры), которые в качестве управляемого ключевого элемента используют тиристоры или симисторы, очень распространены в быту. Они применяются как для изменения яркости осветительных ламп определённых типов, мощности электродвигателей различного электроинструмента и бытовых электроприборов, включая электропаяльники и различную кухонную технику, так и для некоторых зарядных устройств и сварочных аппаратов. Чаще всего в таких регуляторах используется фазоимпульсное управление, когда на управляющий электрод симистора или тиристора подаётся импульс с регулируемой задержкой относительно начала полупериода сетевого напряжения. С помощью специального узла эта задержка изменяется от 0 до 180 градусов, обеспечивая изменение напряжения на нагрузке от максимального до минимального.
В большинстве устройств узел управления состоит из фазосдвигающей цепи, содержащей переменный резистор, фазосдвигающий конденсатор и пороговый элемент, в качестве которого используются однопереходные транзисторы, динисторы или их транзисторный эквивалент. Достоинство таких узлов - простота конструкции. Но им присущи и очень существенные недостатки, главным из которых является зависимость фазовой задержки импульса запуска от напряжения сети. Это существенно влияет на действующее напряжение нагрузки при колебаниях сетевого напряжения. Простой пример, при напряжении сети 220 В таким регулятором было установлено действую-щее напряжение на нагрузке 170 В. При падении напряжения в сети до 180 В (на 18 %) напряжение на нагрузке уменьшилось до 125 В (на 43 %). Для исключения ошибки измерения проводились мультиметром с функцией True RMS. Если, например, для управления яркостью ламп освещения используется такой регулятор, часто наблюдаются сильные мигания ламп при незначительных колебаниях напряжения в сети.
Рис. 1. Схема регулятора
Регулятор, схема которого приведена на рис. 1, лишён этого недостатка. При отклонениях напряжения в сети в широких пределах он обеспечивает практически стабильное действующее апряжение на нагрузке за счёт компенсирующей коррекции фазовой задержки импульса управления симистором. Естественно, что выходное напряжение регулятора не может превысить входного. Он состоит из формирователя импульсов перехода сетевого напряжения через ноль (транзисторы VT1, VT2), генератора пилообразного напряжения с фазовой привязкой к сетевым полуволнам (транзистор VT3, конденсатор C4 и резистор R6), компаратора DA1.1, который сравнивает пилообразное напряжение с заданным переменным резистором R7 постоянным напряжением. На выходе компаратора появляется импульс с изменяемой длительностью с задержкой от начала полупериода сетевого напряжения, определяемой напряжением на движке переменного резистора R7. При уменьшении этого напряжения задержка импульса уменьшается и приближается к 0 градусов, а при увеличении напряжения задержка меняется в сторону 180 градусов.
Образцовое напряжение для переменного резистора образовано делителем напряжения R1/(R2+R5) и зависит от напряжения в сети. С помощью дифференцирующей цепи R10C6, компаратора DA1.2, транзистора VT4 и конденсатора C7 на управляющем электроде симистора VS1 формируются короткие трицательные импульсы управления при любой полярности сетевой полуволны. При указанных номиналах элементов максимальная амплитуда пилообразного напряжения, подаваемого на вход компаратора DA1.1, - около 6,5 В. Если напряжение в сети равно 230 В, на конденсаторе C2 оно также составляет около 6,5 В. Стабилитрон VD4 с напряжением стабилизации 7 В служит для ограничения образцового напряжения на резисторе R7 при большом превышении сетевого напряжения над номинальным значением. Если этот стабилитрон не устанавливать, при напряжении в сети более 230 В действующее напряжение на нагрузке может незначительно уменьшиться, хотя это может быть даже полезным.
Напряжением питания 12 В все узлы регулятора обеспечивает стабилизатор напряжения, собранный на балластном конденсаторе C3, выпрямителе на диоде VD2, сглаживающем конденсаторе С1 и стабилитроне VD1.
Устройство допускает большое отклонение номиналов почти всех элементов с последующей коррекцией режимов. Например, сопротивление резистора R7 может быть от 10 кОм до 1 МОм, но при этом, возможно, дополнительно потребуется скорректировать сопротивление R8, номинал которого должен быть примерно в восемь раз меньше сопротивления резистора R7, чтобы напряжение на конденсаторе C2 было около 6,5 В при напряжении в сети 230 В. Постоянную времени цепи R6C4 желательно сохранить рекомендованной, чтобы амплитуда пилообразного напряжения не изменилась, в противном случае придётся корректировать напряжение на резисторе R7 с помощью резистора R1. При исправных элементах и отсутствии ошибок в монтаже устройство начинает работать сразу и не требует никакой настройки. Благодаря стабилизирующим свойствам регулятора на корпусе приора вокруг ручки резистора регулировки выходного напряжения R7 можно нанести шкалу выходных напряжений. Разметку шкалы производят путём измерения различных значений выходного напряжения с помощью мультиметра с функцией True RMS.
Рис. 2. Чертёж печатной платы прибора и размещение элементов на ней
Печатная плата изготовлена из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм, её чертёж показан на рис. 2. Вместо конденсатора C3 можно применить металлизированные лавсановые конденсаторы серии К73-17В, импортные полипропиленовые MPX-X2, KNB1530 или аналогичные, ёмкостью 0,22...0,47 мкФ, допускающие работу при переменном напряжении не менее 275 В. Конденсаторы C2, C5, C6, C7 - керамические серии К10-17 или импортные. Конденсатор C4 лучше использовать К73-17, в крайнем случае можно использовать и керамический, но из-за большого отклонения ёмкости таких конденсаторов от номинала может потребоваться подборка резистора R6 для сохранения амплитуды пилообразного напряжения около 6,5 В. Постоянные резисторы - МЛТ, С2-23 или импортные металлоплёночные, мощностью 0,125...0,25 Вт. Переменный резистор R7 - любого типа с линейной функциональной зависимостью, позволяющий установить на ось изолирующую ручку управления.
Транзисторы могут быть серий КТ3117, КТ3102. Тип применяемого симистора зависит от мощности планируемой нагрузки. Если ток нагрузки превышает 2 А, симистор необходимо установить на теплоотвод. Печатная плата позволяет это сделать. Компаратор, помимо распространённого серии LM393, можно использовать российский КР1401СА3Б. Внешний вид смонтированной печатной платы показан на рис. 3. Если регулятор используется для регулирования яркости осветительных ламп, плату можно разместить внутри подрозетника или небольшой электромонтажной распределительной коробки.
Рис. 3. Внешний вид смонтированной печатной платы
Следует иметь в виду, что элементы регулятора находятся под опасным напряжением сети 230 В, поэтому все работы, связанные с его доработкой, подбором элементов, настройкой, необходимо проводить с особой осторожностью, исключающей случайное прикосновение к токоведущим частям. В это время устройство лучше запитать через разделительный трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку от сети и ограничение выходной мощности.
Чертёж печатной платы устройства находится здесь.
Автор: В. Кравцов, г. Новороссийск Краснодарского края