Сенсорные регуляторы яркости с фазоимпульсным и шим управлением

Схемы регуляторов мощности (диммеров) на симисторах.

Принцип работы симисторных регуляторов мощности (напряжения) в цепях
переменного тока.

Что такое симистор, принцип его работы, а также справочные характеристики некоторых популярных приборов мы с Вами внимательно рассмотрели на странице &nbspСсылка на страницу.
Там же мы отметили, что симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью вытеснил его из электроцепей переменного тока.

Вспомним пройденный материал.
Отличительной чертой симистора является то, что при подаче на его управляющий электрод тока (напряжения), прибор переходит в проводящее состояние, замыкая нагрузку, причём проводит ток, независимо от полярности, приложенного к нагрузке напряжения.
Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью “анодного” напряжения (т.е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой – в момент прохождения отрицательной).

Итак. Важным плюсом симисторных схем в электроцепях переменного тока является отсутствие выпрямительных устройств, и двухполюсность напряжения в нагрузке, что даёт возможность подключать их, помимо всего прочего, как трансформаторам, так и электродвигателям переменного тока.

Познакомимся с расхожими схемами симисторных регуляторов.

Для начала давайте рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности с фазово-импульсным управлением, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 1200 Вт.

Рис.1

При замене симистора на другой, с большей величиной допустимого тока, мощность нагрузки можно увеличивать практически неограниченно.

А теперь – как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора – тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.1 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях и обмотках трансформаторов), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.1 показана синим цветом).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

Существуют и различные модификации приведённой выше простейшей схемы диммера.

Рис.2

Дополнительная цепочка R3 C2 (Рис.2 слева) призвана увеличить максимально достижимый фазовый сдвиг между сетевым напряжением и напряжением, поступающим на левый вывод динистора, что в свою очередь позволяет производить более глубокую регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

На схеме, приведённой на Рис.2 справа, цепь, образованная диодами D1, D2 и резистором R1, обеспечивает плавность регулировки при минимальной выходной мощности. Без неё характеристика управления регулятором имеет гистерезис, что проявляется в скачкообразном повышении регулируемой мощности от нуля до 3. 5% от максимальной.
Диодно-резисторная цепочка разряжает конденсатор при переходе сетевого напряжения от отрицательной к положительной полуволне и, тем самым, устраняет эффект скачкообразного начального увеличения мощности в нагрузке.

Изредка можно встретить устройства, в которых регулировка мощности производится посредством отдельной схемы, которая формирует импульсы с регулируемой длительностью для управления симистором.
Такие диммеры обладают значительно лучшими характеристиками, чем представленные выше, однако обратной стороной медали является повышенная сложность устройств и необходимость наличия отдельного источника питания схемы. Исключения составляют устройства, выполненные на специализированных ИМС. Примером такой микросхемы является фазовый регулятор КР1182ПМ1.

Рис.3

Применение КР1182ПМ1 в регуляторах мощности (Рис.3) позволяет добиваться как хорошей повторяемости, так и широкого диапазона перестройки и высокой температурной стабильности.

А если уж мы решили заморачиваться созданием отдельной схемы формирования управляющих импульсов, то имеет смысл отказаться от фазово-импульсного метода управления, и обратиться в сторону регуляторов мощности, работающих по принципу пропускания через нагрузку определённого целого числа периодов сетевого напряжения в единицу времени.
При таком способе регулирования появляется возможность включения симистора вблизи точки пересечения сетевым переменным напряжением нулевого потенциала, вследствие чего радикально снижается уровень помех, вносимых в электросеть.
Освещение таким диммером не запитаешь ввиду заметного мерцания, а вот для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов – самое то.

Данная схема (Рис.4) перекочевала со страницы https://www.radiokot.ru/circuit/power/converter/50/ и представляет собой модификацию регулятора мощности, описанного в журнале Радио, 2009, № 9, с. 40–41 «В.Молчанов Симисторный регулятор мощности». Вот, что пишет автор.

«Устройство предназначено для беспомехового регулирования мощности электронагревательных приборов, работающих от сети переменного тока 220 В.
Кроме снижения уровня коммутационных помех, в регуляторе реализован принцип пропускания в нагрузку целого числа периодов сетевого напряжения. При таком способе регулирования с высокой точностью обеспечивается отсутствие постоянной составляющей напряжения на нагрузке, вследствие чего дополнительно снижается уровень искажений, вносимых в электросеть. Это особенно важно в случае мощной нагрузки.
Максимальная мощность нагрузки, подключаемой к регулятору, составляет 1 кВт. Потребляемый регулятором ток от сети не превышает 4 мА (действующее значение), типовое потребление – 3,5 мА.

На микросхеме DD1 и элементах R1, C1, VD1, VD2 выполнен синхронизированный с сетью генератор прямоугольных импульсов. Период импульсов, вырабатываемых генератором, составляет около 1,3 с. Резистор R1 регулирует скважность импульсов. Элементы DD1.1, DD1.2 и DD1.3, DD1.4 включены как два RS‑триггера, на входы которых (выводы 1 и 9 микросхемы) через делитель R7R6 поступает часть сетевого напряжения. Транзисторы VT1 и VT2 выполняют функцию мощного инвертора логических сигналов для управления симистором. Питание устройства осуществляется через параметрический стабилизатор, в котором задействованы балластный резистор R7, стабилитрон VD3 и сглаживающий конденсатор C3. Когда напряжение на верхнем по схеме сетевом выводе относительно нижнего отрицательное, стабилитрон VD3 пропускает ток в прямом направлении, когда положительное – ограничивает напряжение на выводах 1 и 9 микросхемы DD1 на уровне 10 В. Ток, проходящий через эти выводы и внутренние защитные диоды микросхемы, заряжает конденсатор C3 до напряжения около 9,2 В, которое служит для питания низковольтной части устройства. Использование защитных диодов микросхемы не приводит к её защёлкиванию, поскольку амплитудное значение тока через резистор R7 ограничено и составляет около 5 мА.

Во время проверки регулятора мощности удобно в качестве нагрузки подключить лампу накаливания (желательно на 100 Вт или более). Устройство обычно не нуждается в налаживании, но если оказалось, что симистор VS1 открывается ненадёжно (лампа в нагрузке не включается или мерцает), можно попробовать уменьшить сопротивление резистора R4 или подобрать экземпляр симистора с меньшим током открывания. Резистор R4 позволяет выставить мгновенное напряжение сети, при котором происходит открывание симистора. Это напряжение может быть рассчитано по формуле Uпор ≈ Uпит∙R7/(2∙R4), где Uпит ≈ 9,2 В – напряжение на конденсаторе C3, сопротивления резисторов R6 и R7 должны быть равны. Уменьшение сопротивления резистора R4 обеспечивает более надёжное открывание симистора, но увеличивает уровень создаваемых помех, поэтому делать его сопротивление менее 30 кОм нежелательно».

И конечно, было бы совсем неправильно не упомянуть о таком важном представителе симисторного семейства, как – оптосимистор.
Оптосимистор включается посредством освещения полупроводникового слоя и представляет собой комбинацию оптоизлучателя и симистора в одном корпусе. Преимущество – простая однополярная схема управления и гальваническая изоляция цепей управления от фаз сетевого напряжения.

Оптосимисторы могут коммутировать нагрузку как сами (Рис.5),


Рис.5

так и управлять более мощными симисторами (Рис.6).


Рис.6

За счёт полной гальванической развязки управляющих цепей оптосимистора, основное его предназначение – это управление мощностью нагрузки при помощи логических устройств или микроконтроллеров с собственными цепями питания.

Рис.7

В качестве примера на Рис.7 приведена схема регулятора мощности паяльника.
Вот, как работу этой схемы описывает уважаемый Falconist на странице сайта http://forum.cxem.net .

«Оптосимистор серии МОС204х/306х/308х содержит внутри себя схему пересечения питающим напряжением нуля, т.е. открывается только в точке нулевого значения синусоидального сетевого напряжения, независимо от момента поступления управляющего напряжения на его светодиод. Тем самым обеспечивается ключевой режим подключения нагрузки, с практически полным отсутствием ВЧ помех, проникающих в сеть 220 В. Поэтому его замена на оптосимисторы МОС302х/305х, не имеющих такой схемы, крайне нежелательна, т.к. порочит сам принцип беспомехового регулирования.
Конденсатор С1 является балластным реактивным сопротивлением. Ток, который он пропускает совместно с подключенным параллельно ему резистором R1,приближенно составляет 16 мА. Данный ток используется для питания таймера DA1 и инфракрасного светодиода оптрона DA2».

Работа таймера, формирующего управляющий сигнал для оптотиристора, аналогична работе DD1 на Рис.4 и сводится к формированию импульсов с изменяемой скважностью.

Сенсорные регуляторы яркости с фазоимпульсным и шим управлением

Фазовый диммер с ШИМ управлением.

Автор: 3711
Опубликовано 29.07.2015
Создано при помощи КотоРед.

Всем доброго времени суток!
Расскажу сначала предысторию создания диммера. Многие радиолюбители не раз ломали голову над автоматическим включением/выключением света в санузле. Мною в своё время так же была разработана схема на микроконтроллере, которая успешно справлялась с поставленной задачей. Управляла схема светодиодной лентой, поэтому на выходе контроллера управление яркостью осуществлялось с помощью ШИМ модуляции. В жизни случился переезд. Освещение в туалете на новой квартире было сделано на галогеновой лампе. Так как эстетическое состояние данного помещения меня вполне устраивало, начались раздумья, как прикрутить мой контроллер к лампе накаливания. Вот в процессе этих раздумий и родилась данная схема.

Читайте также:  Baycom радиомодем для pc

Особенности диммера:
Для коммутации нагрузки используется мощный полевой транзистор, поэтому схема разработана с отсечкой по заднему фронту. Данная особенность позволяет отказаться от дросселя в выходной цепи и не наделать при этом помех.
Итак, для начала рассмотрим схему с управлением от обычного потенциометра (рис.1). На её примере я расскажу, как всё работает.

Выпрямленное диодным мостом (D1-D4) напряжение поступает на гасящий резистор R1 и через диод D6 на стабилизатор (D7, C3) 24V. Компаратор Ic1a является детектором нуля, а резисторы R6, R7 и конденсатор С1 формируют пилообразный сигнал. Детектор нуля работает следующим образом. Резисторы R4, R5 образуют делитель на напряжение 2,4V. Цепочка R2, R3 и D5 образует делитель напряжения выпрямленного напряжения 220V. Резистор R3 необходим для разрядки емкости PN перехода стабилитрона D5. В момент нарастания сетевого напряжения, напряжение на катоде стабилитрона D5 будет увеличиваться пока, не достигнет значения 5V, после чего останется на этом уровне пока сетевое напряжение не снизится ниже 5V. Компаратор Ic1a сравнивает напряжения на выводах 5 и 6. Пока напряжение на выходе 5 ниже чем на выходе 6 (2,4V) выходной каскад компаратора открыт и конденсатор С1 разряжен. Как только напряжение на 5 ножке становится выше, чем на 6й, начинается заряд конденсатора через токоограничивающую цепочку R6, R7. Номиналы этой цепочки подобраны таким образом, что за время полупериода сетевого напряжения конденсатор успеет зарядиться до 12V. Далее цикл повторяется. Диод D6 необходим для того чтобы постоянное напряжение с конденсатора С3 не попадало на стабилитрон D5.
Компаратор Ic1b сравнивает напряжение пилообразного сигнала с конденсатора С1 и напряжение на выходе переменного резистора R9 (от 0-12V). Пока напряжение на втором выводе ниже, чем на третьем выходной каскад компаратора закрыт, и полевой транзистор напряжением через резистор R10 открывается и подает напряжение на нагрузку. Как только напряжение на 2м выводе превысит напряжение на потенциометре R9, открывается транзистор в выходном каскаде Ic1b, напряжение на затворе полевого транзистора падает до нуля и он закрывается, отключая нагрузку.
Варистор Z1 необходим для защиты полевого транзистора от высоковольтных помех в сети.

Схема для работы с ШИМ управлением не сильно отличается от предыдущей. Вместо переменного резистора добавим оптопару U1 для развязки от сетевого напряжения и на элементах R8, R9, C2 (рис.2) построим фильтр, преобразующий ШИМ сигнал в постоянное напряжение.

По мере увеличения скважности ШИМ сигнала будет расти постоянное напряжение на выводе 3 Ic1b и соответственно яркость лампы.
Настройка диммера производится следующим образом. 4 и 5 ножки оптопары U1 замыкаются и подстроечным резистором R7 ловится момент, когда лампа перестает увеличивать яркость. Если не работает детектор нуля можно попробовать снизить сопротивление резистора R3.
Все резисторы кроме R1, R2 любые маломощные, в том числе SMD. Резистор R1 лучше сделать составной из нескольких штук. Это уменьшает возможность пробоя высоким напряжением сети. В моем случае это три резистора по 12к и один 18к, мощность 0,5Вт. R2 так же лучше сделать составным по той же причине. При нагрузке 150W радиатор для транзистора не потребовался. Транзистор оставался абсолютно холодным.
Частота ШИМ сигнала должна находиться в пределах 1000-3000 Гц. Если наблюдается мерцание лампы можно увеличить емкость конденсатора С2, но это увеличит инертность срабатывания диммера.
Мною были собраны два диммера. Оба после сборки заработали безо всяких проблем. Наработка чуть менее года. Работают, всё это время не отключаюсь от сети 24 часа в сутки 7 дней в неделю. К диммерам подключены лампы накаливания и галогеновые 12V лампы через электронный блок питания.
Диммер находится под напряжением опасным для жизни. Будьте аккуратны, не наступайте на фазу.

Сенсорные регуляторы яркости с фазоимпульсным и ШИМ управлением

Аннотация. В статье рассматриваются два варианта сенсорных регуляторов яркости, предназначенные для работы с лампой накаливания в промышленной сети с напряжением 220 В.

Общие сведения. В настоящее время в промышленном производстве освоены и выпускаются регуляторы яркости на основе специализированной ИМС К145АП2, а также в микроконтроллерном исполнении. К сожалению, подобные конструкции имеют ряд недостатков, которые делают применение их затруднительным или, в некоторых случаях, вообще невозможным по причине их низкой помехоустойчивости или необходимости правильной фазировки, когда фазный вывод конструкции должен подключаться к фазному проводу сети, а нулевой — к нулевому. В то же время большинство опубликованных решений регуляторов яркости в микроконтроллерном исполнении сопровождаются только демо-версиями прошивок, которые ограничивают функциональные возможности регулятора и зачастую работают нестабильно.

От перечисленных выше недостатков свободны две предлагаемые конструкции, выполненные на основе распространённых ИМС стандартной логики. Если первый вариант с фазоимпульсным управлением яркостью можно использовать только с лампами накаливания, то на основе второй конструкции с широтноимпульсной модуляцией можно выполнить регулятор яркости светодиодных ламп. Это не означает, что светодиодную лампу можно подключать к регулятору непосредственно. Схемное решение второго варианта контроллера можно взять за основу регулятора яркости светодиодной лампы и ключевой MOSFET-транзистор использовать в качестве регулирующего звена.

Оба устройства при включении питания устанавливают максимальную яркость лампы. Регулировка яркости производится путём касания рукой (пальцем) сенсорной пластины продолжительное время (в течение нескольких секунд) или кратковременными касаниями для ступенчатого изменения яркости. Число градаций яркости равно 16. При касании сенсора яркость медленно убывает до минимума, а затем возрастает до максимума и так далее «по кругу». Если руку убрать от сенсора, то уровень яркости запомнится и останется неизменным до следующего касания сенсора или отключения питания.

Принцип работы. Схема электрическая принципиальная первого варианта устройства с фазоимпульсным управлением показана на рис.1.

Схема содержит: параметрический стабилизатор на элементах VD1, R1, R2, VD2, интегральный стабилизатор DA1 напряжения «5В» и конденсаторы фильтра C1…C4; задающий НЧ-генератор на логический элементах DD1.1, DD1.2; одновибратор-схему выделения моментов перехода сетевого напряжения через ноль на элементах DD2.1, DD2.2; RS-триггер управления симистором на элементах DD2.3, DD2.4; два усилительных каскада на транзисторах VT1 и VT2; пороговый компаратор DD1.3; генератор прямоугольных импульсов на основе триггера Шмитта DD1.4; схему формирования кодовых комбинаций уровня яркости, в состав которой входят счётчики DD3.1, DD3.2 и цепочка элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ DD4.1…DD4.4, а также реверсивный счётчик-формирователь угла сдвига DD5.

Сущность фазоимпульсного метода управления яркостью заключается в изменении времени задержки открывания симистора, считая с момента перехода сетевым напряжение нулевого значения. Чем больше время задержки, тем больше времени симистор находится в закрытом состоянии, тем меньше яркость, и, наоборот, чем раньше открывается симистор, тем больше яркость лампы накаливания.

Рассмотрим работу регулятора яркости, считая с момента перехода напряжением сети нулевого значения. При этом ток через стабилитрон VD2 уменьшается до нуля и на его катоде формируется отрицательный импульс пилообразной формы амплитудой 10В. Этот импульс через делитель R7-R8 поступает на вход одновибратора на элементах DD2.1, DD2.2, который формирует из него стабильный по длительности, но уже прямоугольный отрицательный импульс. Этот импульс устанавливает RS-триггер в исходное состояние и одновременно обеспечивает загрузку двоичной комбинации с выходов элементов DD4.1…DD4.4 в собственные двоичные разряды счётчика DD5. По входам «D0…D3» счётчика DD5 будет записана комбинация «0000» так как счётчики DD3.1 и DD3.2 были установлены при включении питания в нулевое состояние благодаря цепочке C10-R15.

Благодаря выходным импульсам генератора (DD1.1, DD1.2), поступающим на вход вычитания (вывод 4) счётчика DD5 происходит уменьшение состояний счётчика и как только он достигнет нулевого состояния, а именно в таком состоянии он сейчас и находится, то следующий отрицательный импульс на его вычитающем входе вызовет появление на его выходе переноса «-CR» (вывод 13) короткого отрицательного импульса и переброс RS-триггера в противоположное состояние. Теперь на нижнем по схеме выходе RS-триггера (выводе 6 элемента DD2.4) появится положительный перепад, который после ограничения по длительности дифференцирующей цепочкой C7-R10 вызовет кратковременное открывание транзистора VT2 и включение симистора VS1. Лампа окажется подключенной к сети и будет светиться с максимальной яркостью. Симистор будет находиться во включенном состоянии до следующего момента перехода сетевым напряжением нулевого значения. Этот процесс будет повторяться с удвоенной частотой сети, т.е. с частотой 100 Гц.

В таком режиме регулятор яркости будет работать до момента касания сенсора. При этом наведенное напряжение с частотой сети 50 Гц поступит через резисторы R11 и R12 на базу транзистора VT1 и откроет его. Начнётся разряд конденсатора C8 и, когда напряжение на входах компаратора DD1.3 станет меньше порогового значения, компаратор переключится и на его выходе появится уровень лог.«1». Работа генератора на основе триггера Шмитта DD1.4 будет разрешена, и на его выходе появятся прямоугольные импульсы с частотой несколько Герц. Эти импульсы будут увеличивать состояние счётчика DD3.1, а вслед за ним и DD3.2. Пока счётчик DD3.2 находится в нулевом состоянии, выходные комбинации счётчика DD3.2 проходят на выходы соответствующих элементов DD4.1…DD4.4 без инвертирования. Будет происходить постепенное уменьшение яркости до минимума. Когда счётчик DD3.2 установится в единичное состояние, то уровень лог.«1» с выхода его младшего разряда (вывод 11) переключит элементы DD4.1…DD4.4 в режим инвертирования и яркость будет возрастать до максимума.

После установки желаемого уровня яркости и отпускания сенсора, время задержки открывания симистора будет определяться двоичной кодовой комбинацией, записываемой по входам «D0…D3» счётчика DD5. Состояние счётчиков DD3.1 и DD3.2 будет оставаться неизменным до следующего касания сенсора или выключения и повторного включения питания. Рисунок печатной платы первого варианта устройства показана на рис.2.

Схема электрическая второго более совершенного варианта устройства с широтноимпульсным управлением показана на рис.3. В данном устройстве яркость лампы зависит от среднего времени нахождения мощных ключевых MOSFET- транзисторов в открытом состоянии, которое зависит от скважности импульсов. Напомним, что скважностью импульса называется отношение периода следования импульсов к длительности импульса.

Читайте также:  Устройство ввода вывода

Нижняя часть схемы по своему функциональному назначению аналогична рис.1, поэтому подробно её работу рассматривать не будем. Здесь выходные кодовые комбинации элементов DD5.1…DD5.4 представляют собой коэффициенты деления для счётчика DD6, работающего в составе схемы управления яркостью. В состав схемы (рис.3) также входят: генератор опорных импульсов на элементах DD1.1, DD1.2, работающий с частотой около 32 кГц, счётчик-делитель импульсов на 16 – DD2.1, одновибратор-формирователь коротких импульсов на элементах DD3.1, DD3.2, собственно счётчик с переменным коэффициентом деления DD6 и RS-триггер на элементах DD3.3, DD3.4.

В начальный момент времени при подключении автомата к сети, интегрирующая цепочка C10-R15 формирует короткий положительный импульс, обнуляющий счётчики DD3.1, DD3.2. Такая же нулевая двоичная комбинация формируется на выходах элементов DD5.1…DD5.4, которая, поступая на входные двоичные разряды счётчика DD6, определяет режим его работы, как режим с максимальным коэффициентом пересчёта, что соответствует максимальной яркости лампы накаливания.

В начальный момент времени одновибратор на элементах DD3.1, DD3.2, каждый раз по отрицательному перепаду импульса на выходе счётчика DD2.1, формирует на выходе (вывод 8 элемента DD3.2) короткий отрицательный импульс, который производит запись управляющей двоичной комбинации с выходов элементов DD5.1…DD5.4 во внутренние разряды счётчика DD6. Одновременно этот отрицательный импульс устанавливает RS-триггер DD3.3-DD3.4 в исходное единичное состояние. При этом транзисторы VT2, VT3 открыты, а VT4 — закрыт. Оба одновременно открытые мощные ключевые MOSFET транзисторы VT5, VT6 обеспечивают подключение лампы накаливания EL1 к сети как при положительной, так и при отрицательной полуволнах сетевого напряжения. Импульсы задающего генератора, поступающие на суммирующий счётный вход DD6 (вывод 5), обеспечивают увеличение состояний счётчика на единицу с приходом каждого нового импульса. Когда счётчик достигнет переполнения, на его выходе переноса «+CR» (вывод 12) сформируется короткий отрицательный импульс, который перебросит RS-триггер DD3.3-DD3.4 в противоположное нулевое состояние, что приведёт к открыванию транзистора VT4, закрыванию VT2 и VT3 и выключению лампы. Данный процесс повторяется с частотой около 2 КГц, что соответствует частоте задающего генератора 32 кГц, делённой на 16. Таким образом, осуществляется ШИМ-модуляция яркости свечения лампы накаливания.

Следует заметить, что питание затворов мощных MOSFET-транзисторов осуществляется напряжением 10 В непосредственно с выхода параметрического стабилизатора VD2, R9, R10, VD1, а для питания цифровой части схемы применён пятивольтный интегральный стабилизатор DA1. Рисунок печатной платы второго варианта устройства показана на рис.4 .

Конструкция и детали. Оба варианта устройств собраны на печатных платах из двустороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1 мм одинакового размера 90×55 мм. В устройствах применены постоянные резисторы типа МЛТ-0,125, МЛТ-0,5 (R3, R4, рис.1), МЛТ-2 (R1, R2 рис.1, R9, R10 рис.3), конденсаторы неполярные типа К10-17, оксидные — К50-35 или импортные. Интегральный стабилизатор применён типа КР1181ЕН5А (78L05). Стабилитроны — на напряжение стабилизации 9…12 В — могут быть типа Д809, Д814Б, В, Г или импортные BZX55C10 или BZX55C12, диод VD2 (рис.3) — кремниевый средней мощности с минимально допустимым обратным напряжением не менее 400 В. Диодный мост (рис.1) должен быть в вертикальном исполнении типа KBP210 или аналогичный. Симистор в первом варианте устройства может быть из серий BT137, BT138, BT139 с минимально допустимым рабочим напряжением не менее 400 В. Транзисторы MOSFET типа IRF840 заменимы на IRF740 и другие с минимально допустимым рабочим напряжением сток-исток не менее 400 В и минимально возможным сопротивлением канала в открытом состоянии. Максимальная мощность нагрузки при эксплуатации устройств без радиатора не должна превышать в первом варианте 100 Вт, а во втором — 150 Вт. Автором проверены также транзисторы КП7173А отечественного производства. Их параметры: максимальный ток стока Ic=4А, максимально допустимое напряжение сток-исток Uс-и=600В. Сопротивление канала в открытом состоянии не более R 08.06.2015 0 1

Симисторный регулятор мощности с микроконтроллерным управлением

Однажды для одного небольшого домашнего проекта мне потребовался регулятор мощности, пригодный для регулировки скорости вращения электромотора переменного тока. В качестве основы использовалась вот такая плата на базе микроконтроллера STM32F103RBT6. Плата была выбрана как имеющая честный RS232 интерфейс и имеющая при этом минимум дополнительных компонентов. На плате отсутствует слот под литиевую батарейку для питания часов, но приживить его — дело пятнадцати минут.

Итак, начнём с теории. Все знакомы с так называемой широтно-импульсной модуляцией, позволяющей управлять током в (или, что реже, напряжением на) нагрузке с максимальным КПД. Лишняя мощность в таком случае просто не будет потребляться, вместо того, чтобы рассеиваться в виде тепла, как при линейном регулировании, представляющем собой не более чем усложнённый вариант реостата. Однако, по ряду причин такое управление, будучи выполненным «в лоб», не всегда подходит для переменного тока. Одна из них — бо́льшая схемотехническая сложность, поскольку требуется диодный мост для питания силовой части на MOSFET или IGBT транзисторах. Этих недостатков лишено симисторное управление, представляющее собой модификацию ШИМ.

Симистор (TRIAC в англоязычной литературе) — это полупроводниковый прибор, модификация тиристора, предназначенный для работы в качестве ключа, то есть он может быть либо открыт, либо закрыт и не имеет линейного режима работы. Основное отличие от тиристора — двусторонняя проводимость в открытом состоянии и (с некоторыми оговорками) независимость от полярности тока (тиристоры и симисторы управляются током, как и биполярные транзисторы) через управляющий электрод. Это позволяет легко использовать симистор в цепях переменного тока. Вторая особенность, общая с тиристорами, — это свойство сохранять проводимость при исчезновении управляющего тока. Закрывается симистор при отключении тока между основными электродами, то есть, когда переменный ток переходит через ноль. Побочным эффектом этого является уменьшение помех при отключении. Таким образом, для открывания симистора нам достаточно подать на управляющий электрод открывающий импульс небольшой, порядка десятков микросекунд, длительности, а закроется он сам в конце полупериода переменного тока.

Симисторное управление учитывает вышеперечисленные свойства этого прибора и заключается в отпирании симистора на каждом полупериоде переменного тока с постоянной задержкой относительно точки перехода через ноль. Таким образом, от каждого полупериода отрезается «ломтик». Заштрихованная на рисунке часть — результат этой процедуры. Таким образом, на выходе вместо синусоиды мы будем иметь что-то, в известной степени напоминающее пилу:

Теперь наша задача — вовремя отпирать симистор. Эту задачу мы возложим на микроконтроллер. Приведённая ниже схема является результатом анализа имеющихся решений а также документации к оптронам. В частности, силовая часть взята из документации на симисторный оптрон производства Texas Instruments. Схема не лишена недостатков, один из которых — мощный проволочный резистор-печка, через который включён оптрон, детектирующий переход через ноль.

Как это работает? Рассмотрим рисунок.

На положительном полупериоде, когда ток через оптрон превышает некоторое пороговое значение, оптрон открывается и напряжение на входе микроконтроллера опускается практически до нуля (кривая «ZC» на рисунке). Когда же ток снова опускается ниже этого значения, на микроконтроллер снова поступает единица. Происходит это в моменты времени, отстоящие на dz от нуля тока. Это dz ощутимо, в моём случае составляет около 0.8 мс, и его необходимо учитывать. Это несложно: мы знаем период T и длительность импульса высокого уровня h, откуда dz = (h — T / 2) / 2. Таким образом, нам необходимо открывать симистор через dz + dP от переднего фронта сигнала с оптрона.

О фазовом сдвиге dP стоит поговорить отдельно. В случае c ШИМ постоянного тока среднее значение тока на выходе будет линейно зависеть от скважности управляющего сигнала. Но это лишь потому, что интеграл от константы даёт линейную зависимость. В нашем случае необходимо отталкиваться от значения интеграла синуса. Решение простого уравнения даёт нам искомую зависимость: для линейного изменения среднего значения тока необходимо менять фазовый сдвиг по закону арккосинуса, для чего достаточно ввести в управляющую программу LUT таблицу.

Всё, о чём я расскажу в дальнейшем, имеет прямое отношение к архитектуре микроконтроллеров серии STM32, в частности, к архитектуре их таймеров. Микроконтроллеры этой серии имеют разное число таймеров, в STM32F103RBT6 их семь, из которых четыре пригодны для захвата и генерации ШИМ. Таймеры можно каскадировать: для каждого таймера одно из внутренних событий (переполнение, сброс, изменение уровня на одном из входных или выходных каналов и т.д.; за подробностями отсылаю вас к документации) можно объявить выходным и направить его на другой таймер, назначив на него определённое действие: старт, стоп, сброс и т.д. Нам потребуются три таймера: один из них, работая в т.н. PWM input режиме, замеряет период входного сигнала и длительность импульса высокого уровня. По окончании измерения, после каждого периода генерируется прерывание. Одновременно с этим запускается связанный с этим событием таймер фазового сдвига, работающий в ждущем режиме. По событию переполнения этого таймера происходит принудительный сброс таймера, генерирующего выходной управляющий сигнал на симистор, таким образом, через каждый полный период переменного тока подстраивается фаза управляющего сигнала. Только первый таймер генерирует прерывание, и задача обработчика сводится к подстройке фазового сдвига (регистр ARR ждущего таймера) и периода ШИМ таймера (также регистр ARR) так, чтобы он всегда был равен половине периода переменного тока. Таким образом, всё управление происходит на аппаратном уровне и влияние программных задержек полностью исключается. Да, это можно было сделать и программно, но грех было не воспользоваться такой возможностью, как каскадируемые таймеры.

Выкладывать на обозрение код всего проекта я не вижу смысла, к тому же, он далёк от завершения. Приведу лишь фрагмент, содержащий описанный выше алгоритм. Он абсолютно независим от прочих частей и легко может быть портирован в другой проект на совместимом микроконтроллере.

И напоследок, видеоролик, показывающий устройство в действии:

Сенсорные регуляторы яркости с фазоимпульсным и шим управлением

220V), красным – сигнал после выпрямления диодным мостом. Зеленым цветом изображены импульсы на выходе оптопары U3.

$regfile = “attiny2313.dat”
$crystal = 8000000

Dim N As Bit ‘1-плавно зажигаем лампочку, 0-гасим

Config Int0 = Falling
On Int0 Imp

Config Timer0 = Timer , Prescale = 1024 ‘переполнение за 0,032 сек
Dim Wt As Byte
On Timer0 Perepolnenie

Config Portd . 0 = Output
Opto Alias Portd . 0
Opto = 0

Читайте также:  Пирамида - регистратор землетрясений

Wt = 195 ‘минимальный накал
N = 1

Do ‘бесконечный цикл

Imp : ‘прерывание от детектора нуля
Timer0 = Wt ‘чем большее значение сюда положим, тем быстрее переполнится таймер
Start Timer0

If N = 1 Then ‘плавно зажигаем лампу
Incr Wt ‘увеличиваем до максимального значения
If Wt = 255 Then
N = 0
End If
Else ‘плавно гасим
Decr Wt ‘уменьшаем до минимального значения
If Wt = 195 Then
N = 1
End If
End If
Return

Perepolnenie : ‘переполнение таймера
Stop Timer0 ‘останавливаем таймер
Opto = 1 ‘включение симистора
Waitus 100
Opto = 0 ‘выключение оптосимистора
Return

минимальный накал средний накал максимальный накал

и не большое видео

Управление лампочкой метод конечно не ограничивается, этим же способом можно управлять и другой нагрузкой – нагревателями, двигателями и пр.

–>Категория : Полезная информация | –>Добавлено : 26.04.2013–>Просмотров : 76921 | –>Комментарии : 65 | –>Теги : dimmer | –>Рейтинг : 4.9 / 11

–>Всего комментариев : 651 2 3 »

pchela5, ну так это в военное, а у нас в мирное время все примерно)) Нашел ГОСТ 32144-2013 в котором сказано

200?’200px’:”+(this.scrollHeight+5)+’px’);”> Номинальное значение частоты напряжения электропитания в электрической сети равно 50 Гц.

Для указанного показателя КЭ установлены следующие нормы:

– отклонение частоты в синхронизированных системах электроснабжения не
должно превышать ±0,2 Гц в течение 95% времени интервала в одну неделю и
±0,4 Гц в течение 100% времени интервала в одну неделю

> Полуволна в нашей электросети по времени длится примерно 10 мс

В военное время значение синуса может достигать трёх! © Как так примерно? 50 Гц обязаны держать сети, иначе рассинхронизация может пойти и всё накроется медным тазом.

Чтобы понять откуда взялась цифра 195 надо сначала въехать в принцип работы: когда начинается новая полуволна (ток прошел через ноль), таймер начинает считать до своего переполнения и после этого откроет симистор. Если мы в него положим значение 255 тогда он переполнится практически сразу и симистор будет открыт все время пока ток снова не пройдет через ноль. Короче, симистор будет пропускать полуволну полностью. На следующей полуволне все повторится.

Теперь уменьшим стартовое значение таймера. Значит между прохождением тока через ноль и переполнением таймера пройдет больше времени, но чтобы получить минимальный накал необходимо чтобы таймер успел переполнится пока не закончилась та полуволна, которая запустила таймер

Полуволна в нашей электросети по времени длится примерно 10 мс, значит в таймер надо закладывать значение которое даст переполнение не позднее 10 мс.
У меня на практике с такой частотой работы контроллера и получилось минимальное значение 195.

добавить кнопки например:
pinc.1=input
pinc.0=input

вместо
If N = 1 Then ‘плавно зажигаем лампу
Incr Wt ‘увеличиваем до максимального значения
If Wt = 255 Then
N = 0
End If
Else ‘плавно гасим
Decr Wt ‘уменьшаем до минимального значения
If Wt = 195 Then
N = 1
End If
End If
Пишем
if pinc.0=0 then
decr Wt
end if
if pinc.0=0 then
incr Wt
end if

В протеусе есть инструменты для генерирования различных сигналов, в том числе и синуса

после того как вставили генератор на лист, двойной щелчек по нему и откроется окно настроек генератора, там можно задать частоту, амплитуду и много чего еще.

Как сделать регулятор мощности на симисторе своими руками: варианты схем

Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.

Принцип работы регулятора на симисторе

Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.

Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.

Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.

Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.

Форма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%

При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.

Варианты схем регулятора

Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.

Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В

Обозначения:

  • Резисторы: R1- 470 кОм , R2 – 10 кОм,
  • Конденсатор С1 – 0,1 мкФ х 400 В.
  • Диоды: D1 – 1N4007, D2 – любой индикаторный светодиод 2,10-2,40 V 20 мА.
  • Динистор DN1 – DB3.
  • Симистор DN2 – КУ208Г, можно установить более мощный аналог BTA16 600.

При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.

Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.

К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.

Схема регулятора с обратной связью

Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:

  1. Установить таходатчик, измеряющий число оборотов. Такой вариант позволяет производить точную регулировку, но при этом увеличивается стоимость реализации решения.
  2. Отслеживать изменения напряжения на электромоторе и, в зависимости от этого, увеличивать или уменьшать «открытый» режим полупроводникового ключа.

Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.

Регулятор мощности с обратной связью

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 18 кОм (2 Вт); R2 — 330 кОм; R3 – 180 Ом; R4 и R5– 3,3 кОм; R6 – необходимо подбирать, как это делается будет описано ниже; R7 – 7,5 кОм; R8 – 220 кОм; R9 – 47 кОм; R10 — 100 кОм; R11 – 180 кОм; R12 – 100 кОм; R13 – 22 кОм.
  • Конденсаторы: С1 — 22 мкФ х 50 В; С2 — 15 нФ; С3 – 4,7 мкФ х 50 В; С4 – 150 нФ; С5 — 100 нФ; С6 – 1 мкФ х 50 В..
  • Диоды D1 – 1N4007; D2 – любой индикаторный светодиод на 20 мА.
  • Симистор Т1 – BTA24-800.
  • Микросхема – U2010B.

Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):

  • А – При перегрузке включается светодиод D2, сигнализирующий о перегрузке, после чего двигатель снижает обороты до минимальных. Для выхода из режима необходимо отключить и включить прибор.
  • В — При перегрузке включается светодиод D2, мотор переводится на работу с минимальными оборотами. Для выхода из режима необходимо снять нагрузку с электродвигателя.
  • С – Режим индикации перегрузки.

Настройка схемы сводится к подбору сопротивления R6, оно вычисляется, в зависимости от мощности, электромотора по следующей формуле: . Например, если нам необходимо управлять двигателем мощностью 1500 Вт, то расчет будет следующим: 0,25/ (1500 / 240) = 0,04 Ом.

Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.

Таблица для подбора номиналов сопротивлений в зависимости от мощности двигателя

Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.

Регулятор для индуктивной нагрузки

Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.

Существует два варианта решения проблемы:

  1. Подача на управляющий электрод серии однотипных импульсов.
  2. Подавать на управляющий электрод постоянный сигнал, пока не будет проход через ноль.

Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.

Схема регулятора мощности для индуктивной нагрузки

Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.

Осциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности

Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.

Простой регулятор мощности на симисторе своими руками

В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.

Самодельный регулятор мощности

Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Загрузка ...
Adblock
detector