Тиристорный регулятор напряжения сети. Симисторные регуляторы мощности

Регуляторы напряжения нашли широкое применение в быту и промышленности. Многим людям известно такое устройство, как диммер, позволяющий бесступенчато регулировать яркость светильников. Оно и является отличным примером регулятора напряжения 220в. Своими руками такой прибор собрать довольно просто. Безусловно, его можно приобрести в магазине, но себестоимость самодельного изделия окажется значительно ниже.

Назначение и принцип работы

С помощью регуляторов напряжения можно изменять не только яркость свечения ламп накаливания, но и скорость вращение электромоторов, температуру жала паяльника и так далее. Нередко эти устройства называют регуляторами мощности, что не совсем правильно. Устройства, предназначенные для регулирования мощности, основаны на ШИМ (широтно-импульсная модуляция) схемах.

Это позволяет получить на выходе различную частоту следования импульсов, амплитуда которых остается неизменной. Однако если параллельно нагрузке в такую схему включить вольтметр, то напряжение также будет изменяться. Дело в том, что прибор просто не успевает точно измерять амплитуду импульсов.

Регуляторы напряжения чаще всего изготовлены на основе полупроводниковых деталей – тиристорах и симисторах. С их помощью изменяется длительность прохождения волны напряжения из сети в нагрузку.

Следует заметить, что регуляторы напряжения будут максимально эффективны при работе с резистивной нагрузкой, например, лампами накаливания. А вот использовать их для подключения к индуктивной нагрузке нецелесообразно. Дело в том, что показатель индуктивного электротока значительно ниже в сравнении с резистивным.

Собрать самодельный диммер довольно просто. Для этого потребуются начальные знания в области электроники и несколько деталей.

На основе симистора

Такой прибор работает по принципу фазового смещения открывания ключа. Ниже представлена простейшая схема диммера на основе симистора:

Структурно прибор можно разделить на два блока:

Силовой ключ, в роли которого используется симистор.
Узел создания управляющих импульсов на основе симметричного динистора.

С помощью резисторов R1-R2 создан делитель напряжения. Следует обратить внимание, что сопротивление R1 – переменное. Это позволяет менять напряжение в линии R2-C1. Между этими элементами включен динистор DB3. Как только показатель напряжения на конденсаторе C1 достигает значения порога открытия динистора, на ключ (симистор VS1) подается управляющий импульс.

В результате силовой ключ включается, и через него начинает проходить электроток на нагрузку. Положение регулятора определяет, в какой части фазы волны должен сработать силовой ключ.

На базе тиристора

Эти проборы также достаточно эффективны, а их схемы не отличаются высокой сложностью. Роль ключа в таком устройстве выполняет тиристор. Если внимательно изучить схему прибора, то сразу можно заметить главное отличие этой схемы от предыдущей – для каждой полуволны используется собственный ключ с управляющим динистором.

Принцип работы тиристорного прибора следующий:

Когда через линию R5-R4-R3 проходит положительная полуволна, конденсатор C1 заряжается.
После достижения порога включения динистора V3 он срабатывает, и электроток поступает на ключ V1.
При прохождении отрицательной полуволны наблюдается аналогичная ситуация для линии R1-R2-R5, управляющего динистора V4 и ключа V2.

С помощью фазных регуляторов можно управлять не только яркостью ламп накаливания, но и другими видами нагрузок, например, количеством оборотов дрели. Однако следует помнить, что прибор на основе тиристора нельзя применять для работы со светодиодными и люминесцентными лампочками.

Также в быту используются конденсаторные регуляторы. Однако в отличие от полупроводниковых приборов, они не позволяют плавно изменять напряжение. Таким образом, для самостоятельного изготовления лучше всего подходят тиристорная и симисторная схемы .

Найти все необходимые для изготовления регулятора детали не составит труда. При этом их не обязательно покупать, а можно выпаять из старого телевизора или другой радиоаппаратуры. При желании на основе выбранной схемы можно сделать печатную плату, а затем впаять в нее все элементы. Также детали можно соединить обычными проводами. Домашний мастер может выбрать тот способ, который покажется ему наиболее привлекательным.

Оба рассмотренных устройства довольно легко собрать, и для выполнения всех работ не нужно обладать серьезными знаниями в области электроники. Даже начинающий радиолюбитель сможет изготовить своими руками схему регулятора напряжения 220в. При невысокой стоимости, они практически ни в чем не уступают заводским аналогам.

Очень часто возникает потребность в регулировании яркости лампы в пределах определенной величины, как правило, от 20 до 100% яркости. Меньше 20 % не имеет смысла делать, поскольку светового потока лампа не даст, а произойдет только слабое свечение, которое может пригодится разве что для декоративных целей. Можно пойти в магазин и купить готовое изделие, но сейчас ценны на данные устройства мягко говоря неадекватные. Так как мы с вами мастера на все руки, то будем делать данные девайсы собственноручно. Сегодня рассмотрим несколько схем, благодаря которым вам станет понятно, как сделать диммер на 12 и 220 В своими руками.

На симисторе

Для начало рассмотрим схему светорегулятора, работающего от сети 220 Вольт. Данный тип устройств работает по принципу фазового смещения открывания силового ключа. Сердцем диммера является RC цепочка определенного номинала. Узел формирования управляющего импульса, симметричный динистор. И собственно сам силовой ключ, симистор.

Рассмотрим работу схемы. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения. Так как R1 является переменным, то с его помощью меняется напряжение в цепочке R2C1. Динистор DB3 включен в точку между ними и при достижении напряжения порога его открывания на конденсаторе C1 он срабатывает и подает импульс на силовой ключ симистор VS1. Он открывается и пропускает через себя ток, тем самым включает сеть. От положения регулятора зависит в какой момент волны фазы откроется силовой ключ. Это может быть и 30 Вольт в конце волны, и 230 Вольт в пике. Тем самым подводя часть напряжения в нагрузку. На графике ниже изображен процесс регулирования освещения диммером на симисторе.

На данных графиках значение (t*), это время за которое конденсатор заряжается до порога открывания, и чем быстрее он набирает напряжение, тем раньше включается ключ, и больше напряжение оказывается на нагрузке. Эта схема диммера проста и легко повторяется на практике. Рекомендуем просмотреть предоставленное ниже видео, в котором наглядно показывается, как сделать светорегулятор на симисторе:

Симисторный регулятор мощности на 1000 Вт

На тиристорах

При наличии кучи старых телевизоров и прочих вещей пылящихся в закромах очумельцев, можно не покупать симистор, а сделать простой светорегулятор на тиристорах. Схема немного отличается от предыдущей, тем что для каждой полуволны стоит свой тиристор, и тем самым свой динистор для каждого ключа.

Кратко опишем процесс регулирования. Во время положительной полуволны емкость C1 заряжается через цепочку R5, R4, R3. При достижении порога открывания динистора V3, ток через него попадает на управляющий электрод V1. Ключ открывается пропуская положительную полуволну через себя. При отрицательной фазе тиристор запирается, а процесс повторяется для другого ключа V2, заряжаясь через цепочку R1, R2, R5.

Фазные регуляторы - димеры можно использовать не только для регулировки яркостью ламп накаливания, а также для регулирования скорости вращения вентилятором вытяжки, сделать приставку для паяльника и регулировать таким образом температуру его жала. Также с помощью самодельного диммера можно регулировать обороты дрели или пылесоса и много других применений.

Видео инструкция по сборке:

Сборка тиристорного диммера

Важно! Данный способ регулирования не подходит для работы с люминесцентными, экономными компактными и светодиодными лампами.

Конденсаторный светорегулятор

На ряду с плавными регуляторами в быту получили распространение конденсаторные устройства. Работа данного девайса основана на зависимости передачи переменного тока от величины емкости. Чем больше емкость конденсатора, тем больше ток он пропускает через свои полюса. Данный вид самодельного диммера может быть довольно компактным, и зависит от требуемых параметров, емкости конденсаторов.

Как видно из схемы, есть три положения 100% мощности, через гасящий конденсатор и выключено. В устройстве используется неполярные бумажные конденсаторы, которые можно раздобыть в старой технике. О том, мы рассказали в соответствующей статье!

Ниже приведена таблица с параметрами емкость-напряжение на лампе.

На основе этой схемы можно самому собрать простой ночник, с помощью тумблера или переключателя управлять яркостью светильника.

На микросхеме

Для регулирования мощностью на нагрузку в цепях постоянного тока 12 Вольт, часто используют интегральные стабилизаторы - КРЕНки. Применение микросхемы упрощает разработку и монтаж устройств. Такой самодельный диммер прост в настройке и обладает функциями защиты.

С помощью переменного резистора R2 создается опорное напряжение на управляющем электроде микросхемы. В зависимости от выставленного параметра регулируется значение на выходе от максимума в 12В до минимума в десятые доли Вольта. Недостаток данных регуляторов в необходимости установки дополнительного радиатора для хорошего охлаждения КРЕН, поскольку часть энергии выделяется на нем в виде тепла.

Данный регулятор освещения был повторен мной и отлично справлялся со светодиодной лентой 12 Вольт, длиною три метра и возможностью регулировки яркости светодиодов от ноля до максимума. Для не очень ленивых мастеров можно предложить сделать диммер дома на интегральном таймере 555, который управляет силовым ключом КТ819Г, короткими ШИМ импульсами.

В таком режиме транзистор пребывает в двух состояниях: полностью открыт или полностью закрыт. Падение напряжения на нем минимальны и позволяют использовать схему с малым радиатором, что по сравнению с предыдущей схемой с регулятором КРЕН, выгодно отличается по габаритам и экономичности.

Тиристорные регуляторы мощности применяются как в быту (в аналоговых паяльных станциях, электронагревательных приборах и т.д.), так и на производстве (например, для запуска мощных силовых установок). В бытовых приборах, как правило, устанавливаются однофазные регуляторы, в промышленных установках чаще применяются трехфазные.

Эти устройства представляют собой электронную схему, работающую по принципу фазового регулирования, для управления мощностью в нагрузке (подробнее об этом методе будет рассказано ниже).

Принцип работы фазового регулирования

Принцип регулирования данного типа заключается в том, что импульс, открывающий тиристор, имеет определенную фазу. То есть, чем дальше он располагается от конца полупериода, тем большей амплитуды будет напряжение, поступающее на нагрузку. На рисунке ниже мы видим обратный процесс, когда импульсы поступают практически под окончание полупериода.

На графике показано время, когда тиристор закрыт t1 (фаза управляющего сигнала), как видите он открывается практически под конец полупериода синусоиды, в результате амплитуда напряжения минимальна, а следовательно, мощность в подключенной к прибору нагрузке будет незначительной (близкой к минимальной). Рассмотрим случай, представленный на следующем графике.

Здесь мы видим, что импульс, открывающий тиристор, приходится на середину полупериода, то есть регулятор будет выдавать половинную мощность от максимально возможной. Работа на мощности, близкой к максимальной, отображена на следующем графике.

Как видно из графика, импульс приходится на начало синусоидального полупериода. Время, когда тиристор находится в закрытом состоянии (t3) – незначительное, поэтому в данном случае мощность в нагрузке приближается к максимальной.

Заметим, что трехфазные регуляторы мощности работают по такому же принципу, но они управляют амплитудой напряжения не в одной, а сразу в трех фазах.

Такой метод регулирования прост в реализации и позволяет точно изменять амплитуду напряжения в диапазоне от 2 до 98 процентов от номинала. Благодаря этому становится возможным плавное управление мощностью электроустановок. Основной недостаток устройств данного типа – создание высокого уровня помех в электросети.

В качестве альтернативы, позволяющей сократить помехи, можно переключать тиристоры, когда синусоида переменного напряжения проходит через ноль. Наглядно работу такого регулятора мощности можно посмотреть на следующем графике.

Обозначения:

A – график полуволн переменного напряжения;
B – работа тиристора при 50% от максимальной мощности;
C – график, отображающий работу тиристора при 66%;
D – 75% от максимума.

Как видно из графика, тиристор «отрезает» полуволны, а не их части, что минимизирует уровень помех. Недостаток такой реализации – невозможность плавного регулирования, но для нагрузки с большой инерционностью (например, различных нагревательных элементов) этот критерий не основной.

Видео: Испытания тиристорного регулятора мощности

Схема простого регулятора мощности

Регулировать мощность паяльника можно используя для этой цели аналоговые или цифровые паяльные станции. Последние стоят достаточно дорого, и собрать их, не имея опыта, не просто. В то время как аналоговые устройства (являющиеся по сути регуляторами мощности) не составит труда сделать своими руками.

Приведем несложную схему прибора на тиристорах, благодаря которому можно регулировать мощность паяльника.

Радиоэлементы, обозначенные на схеме:

VD – КД209 (или близкий ему по характеристикам)
VS- KУ203В или его аналог;
R 1 – сопротивление с номиналом 15кОм;
R 2 – резистор переменного типа 30кОм;
С –емкость электролитического типа ч номиналом 4,7мкФ и напряжением от 50В;
R n – нагрузка (в нашем случае в качестве нее выступает паяльник).

Данное устройство регулирует только положительный полупериод, поэтому минимальная мощность паяльника будет вполовину меньше номинальной. Управляется тиристор через цепь, включающую в себя два сопротивления и емкость. Время зарядки конденсатора (оно регулируется сопротивлением R 2) влияет на длительность «открытия» тиристора. Ниже показан график работы устройства.

Пояснение к рисунку:

график A – показывает синусоиду переменного напряжения, поступающего на нагрузку Rn (паяльник) при сопротивлении R2 близком к 0 кОм;
график B – отображает амплитуду синусоиды поступающего на паяльник напряжения при сопротивлении R2 равном 15 кОм;
график C, как видно из него, при максимальном сопротивлении R2 (30 кОм) время работы тиристора (t 2) становится минимальным, то есть паяльник работает с мощностью примерно около 50% от номинальной.

Схема устройства довольно простая, поэтому собрать ее самостоятельно смогут даже те, кто не очень хорошо разбирается в схемотехнике. Необходимо предупредить, что при работе данного прибора в его цепи присутствует опасное для жизни человека напряжение, поэтому все его элементы должны быть надежно заизолированы.

Как уже описывалось выше, устройства, работающие по принципу фазового регулирования, являются источником сильных помех в электросети. Существует два варианта выхода из подобной ситуации:

Регулятор работающий без помех

Ниже представлена схема регулятора мощности, не создающего помехи, поскольку он не «обрезает» полуволны, а «отрезает» их определенное количество. Принцип работы такого устройства мы рассматривали в разделе «Принцип работы фазового регулирования», а именно, переключение тиристора через ноль.

Также как и в предыдущей схеме, регулировка мощности происходит в диапазоне от 50 процентов до величины близкой к максимальной.

Перечень используемых в приборе радиоэлементов, а также варианты их замены:

Тиристор VS – КУ103В;

Диоды:

VD 1 -VD 4 – КД209 (в принципе можно использовать любые аналоги, которые допускают величину обратного напряжения более 300В, а ток свыше 0,5А); VD 5 и VD 7 – КД521 (допускается ставить любой диод импульсного типа); VD 6 – KC191 (можно использовать аналог с напряжением стабилизации равным 9В)

Конденсаторы:

С 1 – электролитического типа с емкостью 100мкФ, рассчитанный на напряжение не менее 16В; С 2 – 33Н; С 3 – 1мкФ.

Резисторы:

R 1 и R 5 – 120кОм; R 2 -R 4 – 12кОм; R 6 – 1кОм.

Микросхемы:

DD1 – K176 ЛЕ5 (или ЛА7); DD2 –K176TM2. В качестве альтернативы можно использовать логику серии 561;

R n – паяльник, подключенный в качестве нагрузки.

Если при сборке тиристорного регулятора мощности не было допущено ошибок, то устройство начинает работать сразу после включения, настройка для него не требуется. Имея возможность измерить температуру жала паяльника, можно сделать градацию шкалы для резистора R 5 .

В том случае, когда устройство не заработало, рекомендуем проверить правильность распайки радиоэлементов (не забудьте перед этим отключить его от сети).

В статье рассказывается о том, как работает тиристорный регулятор мощности, схема которого будет представлена ниже

В повседневной жизни очень часто возникает необходимость регулирования мощности бытовых приборов, например электроплиты, паяльника, кипятильников и ТЭНов, на транспорте - оборотов двигателя и т.д. На помощь приходит простейшая радиолюбительская конструкция - регулятор мощности на тиристоре. Собрать такое устройство не составит труда, оно может стать тем самым первым самодельным прибором, который будет выполнять функцию регулировки температуры жала паяльника начинающего радиолюбителя. Стоит отметить, что готовые паяльные станции с контролем температуры и прочими приятными функциями стоят на порядок дороже простого паяльника. Минимальный набор деталей позволяет собрать простой тиристорный регулятор мощности навесным монтажом.

К сведению, навесной монтаж — это способ сборки радиоэлектронных компонентов без применения печатной платы, а при хорошем навыке он позволяет быстро собрать электронные устройства средней сложности.

Вы также можете заказать тиристорного регулятора, а для тех, кто хочет разобраться во всём самостоятельно, ниже будет представлена схема и объяснён принцип работы.

Между прочим, это однофазный тиристорный регулятор мощности. Такой прибор может быть использован для управления мощностью или количеством оборотов. Однако для начала следует разобраться в принципе работы тиристора, ведь это позволит нам понять, на какую нагрузку лучше использовать такой регулятор.

Как работает тиристор?

Тиристор - это управляемый полупроводниковый прибор, способный проводить ток в одном направлении. Слово «управляемый» употреблено неспроста, поскольку с его помощью, в отличие от диода, который тоже проводит ток только к одному полюсу, можно выбирать момент, когда тиристор начнет проводить ток. Тиристор имеет три вывода:

Анод.
Катод.
Управляющий электрод.

Для того чтобы ток начал течь через тиристор, необходимо выполнить следующие условия: деталь должна стоять в цепи, находящейся под напряжением, на управляющий электрод должен быть подан кратковременный импульс. В отличие от транзистора, управление тиристором не требует удержания управляющего сигнала. На этом нюансы не заканчиваются: тиристор можно закрыть, лишь прервав ток в цепи, или сформировав обратное напряжение анод - катод. Это значит, что использование тиристора в цепях постоянного тока весьма специфично и часто неблагоразумно, а вот цепях переменного, например в таком приборе как тиристорный регулятор мощности, схема построена таким образом, что обеспечено условие для закрытия. Каждая из полуволн будет закрывать соответствующий тиристор.

Вам, скорее всего, не всё понятно? Не стоит отчаиваться - ниже будет подробно описан процесс работы готового устройства.

Область применения тиристорных регуляторов

В каких цепях эффективно использовать тиристорный регулятор мощности? Схема позволяет отлично регулировать мощность нагревательных приборов, то есть воздействовать на активную нагрузку. При работе с высокоиндуктивной нагрузкой тиристоры могут просто не закрыться, что может привести к выходу регулятора из строя.

Можно ли двигателя?

Я думаю, многие из читателей видели или пользовались дрелями, углошлифовальными машинами, которые в народе именуют "болгарками", и прочим электроинструментом. Вы могли заметить, что количество оборотов зависит от глубины нажатия на кнопку-курок прибора. Вот в этот элемент как раз и встроен такой тиристорный регулятор мощности (схема которого приведена ниже), с помощью которого осуществляется изменение количества оборотов.

Обратите внимание! Тиристорный регулятор не может изменять обороты асинхронных двигателей. Таким образом, напряжение регулируется на коллекторных двигателях, оборудованных щёточным узлом.

Схема одном и двух тиристорах

Типовая схема для того, чтобы собрать тиристорный регулятор мощности своими руками изображена на рисунке ниже.

Выходное напряжение у данной схемы от 15 до 215 вольт, в случае применения указанных тиристоров, установленных на теплоотводах, мощность составляет порядка 1 кВт. Кстати выключатель с регулятором яркости света сделан по подобной схеме.

Если у вас нет необходимости полной регулировки напряжения и достаточно получать на выходе от 110 до 220 вольт, воспользуйтесь этой схемой, которая показывает однополупериодный регулятор мощности на тиристоре.

Как это работает?

Описанная ниже информация справедлива для большинства схем. Буквенные обозначения будут браться в соответствии первой схемы тиристорного регулятора

Тиристорный регулятор мощности, принцип работы которого основан на фазовом управлении величиной напряжения, изменяет и мощность. Данный принцип заключается в том, что в нормальных условиях на нагрузку действует переменное напряжение бытовой сети, изменяющееся по синусоидальному закону. Выше, при описании было сказано, что каждый тиристор работает в одном направлении, то есть управляет своей полуволной от синусоиды. Что это значит?

Если с помощью тиристора периодически подключать нагрузку в строго определенный момент, величина действующего напряжения будет ниже, поскольку часть напряжения (действующая величина, которая «попадёт» на нагрузку) будет меньше, чем сетевое. Данное явление проиллюстрировано на графике.

Заштрихованная область - это и есть область напряжения, которое оказалось под нагрузкой. Буквой «а» на горизонтальной оси обозначен момент открытия тиристора. Когда положительная полуволна закончится и начнется период с отрицательной полуволной, один из тиристоров закрывается, и в тот же момент открывается второй тиристор.

Разберемся, как работает конкретно наш тиристорный регулятор мощности

Схема первая

Оговорим заранее, что вместо слов "положительная" и "отрицательная" будут использованы «первая» и «вторая» (полуволна).

Итак, когда на нашу схему начинает действовать первая полуволна, начинают заряжаться ёмкости C1 и C2. Скорость их заряда ограничена потенциометром R5. данный элемент является переменным, и с его помощью задаётся выходное напряжение. Когда на конденсаторе C1 появляется необходимое для открытия динистора VS3 напряжение, динистор открывается, через него поступает ток, с помощью которого будет открыт тиристор VS1. Момент пробоя динистора и есть точка «а» на графике, представленном в предыдущем разделе статьи. Когда значение напряжения переходит через ноль и схема оказывается под второй полуволной, тиристор VS1 закрывается, и процесс повторяется заново, только для второго динистора, тиристора и конденсатора. Резисторы R3 и R3 служат для управления, а R1 и R2 - для термостабилизации схемы.

Принцип работы второй схемы аналогичен, но в ней идёт управление только одной из полуволн переменного напряжения. Теперь, зная принцип работы и схему, вы можете собрать или починить тиристорный регулятор мощности своими руками.

Применение регулятора в быту и техника безопасности

Нельзя не сказать о том, что данная схема не обеспечивает гальванической развязки от сети, поэтому существует опасность поражения электрическим током. Это значит, что не стоит касаться руками элементов регулятора. Необходимо использовать изолированный корпус. Следует проектировать конструкцию вашего прибора так, чтобы по возможности вы могли спрятать её в регулируемом устройстве, найти свободное место в корпусе. Если регулируемый прибор располагается стационарно, то вообще имеет смысл подключить его через выключатель с регулятором яркости света. Такое решение частично обезопасит от поражения током, избавит от необходимости поиска подходящего корпуса, имеет привлекательный внешний вид и изготовлено промышленным методом.