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 Ссылка 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.
Рис.4
Данная схема (Рис.4) перекочевала со страницы https://www.propaiku.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://propaiku.ru .
«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.
