Типичный динисторно-симисторный регулятор мощности можно использовать для регулирования нагрузки в цепях переменного тока. Но он не будет работать с низкими напряжениями 12 В или 24 В. Представленная же схема предназначена именно для таких случаев.
Технические параметры регулятора
- фазовое регулирование мощности в цепи переменного напряжения,
- работа при напряжении питания 12 – 24 В переменного тока,
- адаптирован к частоте 50 Гц,
- светодиодный дисплей, показывающий сдвиг по времени включения симистора (в процентах),
- регулировка линейным потенциометром,
- отсутствие гальванической развязки исполнительной цепи от массы,
- потребление тока 50 мА при питании 12 В.
Регулирование мощности устройств, питаемых переменным синусоидальным напряжением с низким эффективным значением, – задача непростая. Самым простым подходом к решению этой проблемы является фазовое регулирование, идея которого сводится к задержке включения нагрузки по истечении соответствующего времени от момента перехода напряжения через ноль. Чем больше это время задержки, тем меньше будет рассеиваемая мощность, поскольку интеграл от остальной части синусоиды будет меньше. То есть речь идет о питании нагрузки «частями» синусоидальной волны: чем меньше размер (меньшее время включения t z), тем ниже будет мощность – как показано на рисунке.
Эта функциональность не может быть реализована в виде популярного простого диммера, который использует задержку вносимую зарядкой конденсатора через переменный резистор. Ключевым элементом в такой схеме является динистор, который начинает проводить когда конденсатор заряжается до определенного напряжения. Производимые динисторы типа DB3 и DB4 и подобные, имеют напряжение 30 В, что делает их совершенно непригодными для низковольтных применений. Следовательно, задержка включения симистора должна быть реализована по-другому.
Данная схема позволяет реализовать такое управление, давая еще одну возможность, которой нет у очень простых диммеров. Она оборудована дисплеем показывающим процентное значение времени активации симистора. Чем меньше значение указывается – тем меньше проводит симистор, поэтому на нагрузку подается меньшая мощность.
Принципиальная схема представлена на рисунке, где можно выделить несколько важных блоков. Переменное напряжение, которое должно использоваться для питания нагрузки и схемы, подключается к клеммам разъема J1. Оно выпрямляется. Конденсатор C1 имеет значительную емкость, поэтому падение напряжения на его выводах между последовательными импульсами зарядки не велико.
Сильно пульсирующее, но уже выпрямленное напряжение поступает на вход понижающего преобразователя, выполненного на дешевой и популярной микросхеме MC34063A. Выходное напряжение устанавливается резисторами R2 и R3 на значение около 8 В, что позволяет нормально работать как с питанием с переменным напряжением 12 В, так и с 24 В. В схему также входит линейный стабилизатор положительного напряжения типа 78M05, обеспечивающий питание управляющей части 5 В.
Симистор TR1 коммутирует нагрузку, подключенную к клеммам разъема J2. Его активация в этой схеме происходит путем подачи положительного потенциала на Уэ по отношению к аноду A1. Резистор R6 ограничивает значение этого тока, а резистор R3 предотвращает самопроизвольное включение симистора. Между анодами симистора поместили простую цепь R4-C5, которая поглощает энергию перенапряжений, способных возникнуть при коммутации индуктивных нагрузок. Диод D3 позволяет току течь только в одном направлении: от стока транзистора T1 к Уэ. Резистор R7 обеспечивает путь для тока стока T1, а R8 удерживает его. Благодаря этому кратковременное уменьшение потенциала затвора транзистора T1 вызывает быстрое и надежное включение симистора, поскольку ток, протекающий через его управляющий электрод, составляет примерно 35 мА.
Ток входит в симистор независимо от направления тока между его анодами. Это означает работу в первом квадранте (потенциал A2 отрицательный, G дополняет) и четвертом (потенциал A2 положительный, G положительный). В то время как первый квадрант является «естественной» областью работы симистора, не все допускают однозначное переключение в четвертом квадранте – элементы этого типа маркируются производителями как «4Q». К этой группе принадлежит использованный в прототипе BT136-600G.
Напряжение питания 8 В необходимо для корректной работы детектора перехода через ноль, который выполнен на базе двойного операционного усилителя типа LM358 (US3). Напряжение переменного тока сначала ограничивается амплитудой около 0,7 В с помощью простой двухдиодной схемы ограничителя. Усилитель US3A работает как идеальный двухполупериодный выпрямитель с одной оговоркой: верхняя и нижняя половины входного сигнала не проходят через схему одинаково. Отрицательная половина инвертируется и усиливается примерно в 5,5 раз, поэтому ее пиковое значение будет 3,9 В. Нижняя половина идет без усиления, потому что диоды D6 и D7 затем блокируют работу усилителя.
Обнаружение минимумов полученного униполярного сигнала означает нахождение точек пересечения нуля. Самый простой метод – сравнить мгновенное значение сигнала с некоторым фиксированным потенциалом. Эта опция реализуется усилителем US3B, работающим в разомкнутом контуре обратной связи, поэтому он действует как компаратор.
Опорный потенциал устанавливается резисторами R12 и R13 на величину примерно 140 мОм. Выход компаратора управляет входом микроконтроллера. Поскольку US3 питается напряжением выше 5 В, ток, протекающий через вход микроконтроллера, ограничивается резистором R14.
Тут использовалась микросхема Attiny24A, небольшой объем памяти которой вполне достаточен для этой задачи. Тактовая частота стабилизировалась с помощью внешнего кварцевого резонатора 8 МГц. Это было необходимо, потому что микросхема выполняет критическую по времени операцию: задействует симистор в определенный момент. Для связи между программатором и микроконтроллером был предусмотрен разъем J3, на который выводились сигналы, необходимые для ISP (In System Programming), в стандарте KANDA.
Требуемая задержка включения Уэ симистора осуществляется поворотом оси потенциометра P1. Он был включен в качестве делителя напряжения питающего микроконтроллер, который также является опорным потенциалом для встроенного аналого-цифрового преобразователя. Таким образом результат преобразования всегда прямо пропорционален текущему углу поворота оси. Конденсатор C12 ограничивает полосу пропускания для шума и помех, мешающих работе преобразователя.
Для отображения установленного значения задержки используется простой трехзначный светодиодный дисплей. Из-за ограниченного количества выводов ATtiny24A, управление необходимо осуществлять в мультиплексном режиме. Отдельные сегменты включаются регистром сдвига типа 74HC595. Его вход активации управляется схемой R16 – C15, задачей которой является кратковременное поддержание всех восьми выходов регистров в состоянии высокого сопротивления в течение короткого времени после включения питания. Это предотвращает мигание некоторых сегментов до тех пор, пока микроконтроллер не начнет выполнение программы, прежде чем будет определено содержимое этого регистра. Токи отдельных сегментов составляют около 6 мА, поэтому ток всего разряда может достигать 48 мА.
Схема собрана на двухсторонней печатной плате размером 65 х 70 мм, чертеж дорожек и схема сборки показаны на рисунке. Монтажные отверстия расположены в 3 мм от края платы.
Потенциометр P1 можно припаять с любой стороны платы или вывести на не слишком длинных проводах в удобное место на корпусе прибора. Собранный прототип схемы показан на фото – потенциометр припаян к нижней стороне платы, чтобы сделать конструкцию более компактной.
Собранную схему следует программировать с помощью готового пакета Flash-памяти. Настройки фьюз битов микроконтроллера Attiny24A должны быть установлены так: Low Fuse = 0xFD, High Fuse = 0xDC. Подробности показаны на скриншоте из BitBurner. Эта конфигурация активирует генератор для возбуждения внешнего кварцевого резонатора и устанавливает порог защиты от пониженного напряжения на 4,3 В.
Во время программирования схема должна быть запитана путем подачи напряжения соответствующего значения на клеммы разъема J1. Правильно собранная и запрограммированная схема не требует дополнительных настроечных работ и сразу готова к работе.
Источник питания, например, сетевой трансформатор, должен быть подключен к клеммам J1, а нагрузка, например лампочка, – к клеммам J2. Максимальный ток нагрузки определяет допустимую нагрузку по току симистора, а также дорожек и разъемов ARK. Симистор BT136-600E может передавать ток до 4 А (среднеквадратичное значение), дорожки около 8 А (при толщине меди 35 мкм), а разъемы – около 10 А. Симистор можно заменить на BT137-600E, который может выдерживать ток 8 A. Важно чтобы у него был так называемый чувствительный электрод, что облегчит его срабатывание – в случае с этим симистором чувствительность составляет 10 мА. В любом случае следует обеспечить правильное охлаждение симистора.
Испытания модуля управления
Прототип был испытан при напряжении питания приблизительно 12 В и резистивной нагрузке. С помощью осциллографа были построены кривые напряжения на клеммах нагрузки (с той же временной разверткой и чувствительностью Y-пути) при настройках 50% и 99,9% длительности в состояние проводимости.
Вы можете видеть, особенно на втором рисунке, искажение формы сигнала напряжения, которое напоминает перекрестные искажения, известные для усилителей класса B. Эта временная «нечувствительность» симистора обусловлена двумя причинами.
Во-первых, это небольшой запас, который схема оставляет между обнаружением пересечения напряжения и включением затвора симистора. Этот запас служит для предотвращения случайного срабатывания симистора в ситуации, когда он еще не полностью отключился после предыдущего периода. Аналогичный запас был введен для очень малых значений продолжительности включенного состояния.
Вторая причина: падение напряжения на проводящем симисторе составляет около 1,4 В (прямое напряжение двух pn-переходов). Если мгновенное значение напряжения питания не превышает этого значения, симистор не будет активирован. В устройствах с сетевым напряжением, где пиковое значение превышает 300 В, это незначительно.
Наиболее важные части программного кода приведены в листинге. Он был написан на C и скомпилирован с помощью AVR-GCC. Импульсы с переходом через нуль сетевого напряжения обнаруживаются прерыванием INT0. При обнаружении такого импульса запускается TIMER1, и схема ожидает переполнения. Когда это происходит, включается вентиль симистора и в регистр TCNT1 загружается значение, которое обеспечит переполнение примерно через 4 мкс. Этого достаточно чтобы правильно активировать симистор. Когда происходит следующее переполнение, сигнализирующее об окончании обратного отсчета, TIMER1 выключается, а также управляющий электрод симистора.
Результаты преобразования от АЦП усредняются (этот фрагмент не включен в листинг) и преобразуются в заранее определенное значение задержки в основном цикле, поскольку это не критичное по времени действие. Коэффициенты преобразования значения, снятого с АЦП, в значение задержки подбирались экспериментально.
