Мощный стабилизатор напряжения своими руками: принципиальные схемы поэтапная инструкция сборки

Мощный стабилизатор напряжения своими руками: принципиальные схемы + поэтапная инструкция сборки

Изготовление самодельных стабилизаторов напряжения – практика довольно частая. Однако по большей части создаются стабилизирующие электронные схемы, рассчитанные на относительно малые выходные напряжения (5-36 вольт) и относительно невысокие мощности. Устройства используются в составе бытовой аппаратуры, не более того.

Мы расскажем, как сделать мощный стабилизатор напряжения своими руками. В предложенной нами статье описан процесс изготовления устройства для работы с напряжением сети 220 вольт. С учетом наших советов вы без проблем самостоятельно справитесь со сборкой.

Наладка регулятора мощности на симисторе

На мой взгляд, представленный материал будет интересен для любителя тем, что показывает экспериментальную возможность подбора состава элементов и их номиналов, исходя из наличия. Вместе с тем, дает практику работы с электронной таблицей Excel в виде ссылки на xls-файл с открытым кодом [1].

Excel – мощный инструмент и для дома, и для работы любого специалиста, великолепно поддается программированию на языке VB Excel. Литературы и справочников по Excel масса, наиболее удачные, с моей точки зрения, могу отметить в комментариях на СамЭлектрик. Автор разработал ряд программ на базе Excel, успешно используемых теперь реальными предприятиями.

Симистор

Если проанализировать путь развития полупроводниковой электроники, то почти сразу становится понятно, что все полупроводниковые приборы созданы на переходах или слоях (n-p, p-n).

Простейший полупроводниковый диод имеет один переход (p-n) и два слоя.

У биполярного транзистора два перехода и три слоя (n-p-n, p-n-p). А что будет, если добавить ещё один слой?

Тогда мы получим четырёхслойный полупроводниковый прибор, который называется тиристор. Два тиристора включенные встречно-параллельно и есть симистор, то есть симметричный тиристор.

В англоязычной технической литературе можно встретить название ТРИАК (TRIAC – triode for alternating current).

Вот таким образом симистор изображается на принципиальных схемах.

У симистора три электрода (вывода). Один из них управляющий. Обозначается он буквой G (от англ. слова gate – "затвор"). Два остальных – это силовые электроды (T1 и T2). На схемах они могут обозначаться и буквой A (A1 и A2).

А это эквивалентная схема симистора выполненного на двух тиристорах.

Следует отметить, что симистор управляется несколько по-другому, нежели эквивалентная тиристорная схема.

Симистор достаточно редкое явление в семье полупроводниковых приборов. По той простой причине, что изобретён и запатентован он был в СССР, а не в США или Европе. К сожалению, чаще бывает наоборот.

Как работает симистор?

Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.

Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор.

Симисторный регулятор мощности

После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим, с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется, и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность, он закроется. Потом процесс повторяется.

Чем больше уровень управляющего напряжения, тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае, изменяя управляющее напряжение, мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.

Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре, так называемых, сектора или режима работы. Но этот материал достаточно сложен для одной статьи.

Если рассматривать симистор, как электронный выключатель или реле, то его достоинства неоспоримы:

По сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы.

Отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга.

К недостаткам можно отнести:

Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.

Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.

Реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание.

Для защиты от ложных срабатываний между силовыми выводами симистора подключается RC-цепочка. Величина резистора R1 от 50 до 470 ом, величина конденсатора C1 от 0,01 до 0,1 мкф. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.

Основные параметры симистора.

Основные параметры удобно рассмотреть на примере популярного отечественного симистора КУ208Г. Будучи разработан и выпущен достаточно давно, он продолжает оставаться востребованным у любителей сделать что-то своими руками. Вот его основные параметры.

Максимальное обратное напряжение – 400V. Это означает, что он прекрасно может управлять нагрузкой в сети 220V и ещё с запасом.

В импульсном режиме напряжение точно такое же.

Максимальный ток в открытом состоянии – 5А.

Максимальный ток в импульсном режиме – 10А.

Наименьший постоянный ток, необходимый для открытия симистора – 300 мА.

Наименьший импульсный ток – 160 мА.

Открывающее напряжение при токе 300 мА – 2,5 V.

Открывающее напряжение при токе 160 мА – 5 V.

Время включения – 10 мкс.

Время выключения – 150 мкс.

Как видим, для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Оптосимистор.

Современная и перспективная разновидность симистора – это оптосимистор. Название говорит само за себя. Вместо управляющего электрода в корпусе симистора находится светодиод, и управление осуществляется изменением напряжения на светодиоде. На изображении показан внешний вид оптосимистора MOC3023 и его внутреннее устройство.

Оптосимистор MOC3023

Устройство оптосимистора

Как видим, внутри корпуса смонтирован светодиод и симистор, который управляется за счёт излучения светодиода. Выводы, отмеченные как N/C и NC, не используются, и не подключаются к элементам схемы. NC – это сокращение от Not Connect, которое переводится с английского как "не подключается".

Самое ценное в оптосимисторе это то, что между цепью управления и силовой цепью осуществлена полная гальваническая развязка. Это повышает уровень электробезопасности и надёжности всей схемы.

Блоки управления силовыми симисторами и тиристорами ОВЕН БУСТ

Для управления выходным напряжением на нагрузках применяются регуляторы мощности. Регулятор мощности – это комплектное устройство, в котором совмещены силовые компоненты (тиристоры и симисторы) с управляющей частью. Полупроводниковые компоненты долговечны – не имеют ограничений по частоте коммутаций, и они по большей части остаются в рабочем состоянии на старых установках. К тому же их стоимость составляет большую часть цены регулятора мощности, поэтому приобретать готовые регуляторы мощности нецелесообразно, выгоднее выбирать управляющие блоки отдельно от силовых компонентов.

Компания ОВЕН в качестве управляющего устройства предлагает БУСТ, оставляя силовые компоненты на выбор потребителя. При таком варианте организации не придется поддерживать на складе широкую номенклатуру недешевых регуляторов мощности на случай аварийной или плановой замены управляющих компонентов, ТЭНов/трансформаторов. БУСТ обеспечивает точное регулирование мощности нагрузки, удобен в эксплуатации и имеет долгий срок службы.

ОВЕН БУСТ

Рис. 1. Фазный и целочисленный методы
управления нагрузкой

Линейка ОВЕН БУСТ представлена двумя устройствами (табл. 1). Простой и бюджетный регулятор БУСТ позволяет управлять активной нагрузкой, в основном ТЭНами. Устройство зарекомендовало себя как надежное решение для простых задач.

Рис. 2. Подключение к БУСТ2 встречно включенных
тиристоров или симистора

Более сложный и универсальный регулятор БУСТ2 в удобном корпусном исполнении для крепления на DIN-рейку может управлять не только активной, но и активно-индуктивной нагрузкой. За счет применения специальной схемотехники БУСТ2 не требует специального подбора полупроводниковых вентилей. Он работает с любыми типами стержневых и таблеточных тиристоров/симисторов, а также силовых модулей, у которых постоянный ток отпирания не превышает 300 мА. Выходной импульсный ток управления БУСТ2 в затворы полупроводниковых вентилей достаточен для надежного отпирания в широком диапазоне температур: от -20 до +50 о С.

Рис. 3. Квадранты управления для тиристоров
​​​​и симисторов
(Uc – падение напряжения на вентиле,
IG – ток в затворе вентиля)

Основные функциональные возможности приборов БУСТ:

• работа с одно-, двух- и трехфазной нагрузками;
• простая настройка с помощью DIPпереключателей;
• автоматическое регулирование мощности нагрузки поступающими сигналами (4…20 мА) от регулятора (ОВЕН ТРМ101, ТРМ10, ТРМ151);
• ручное регулирование мощности потенциометром (10 значений);
• два метода управления симисторами и тиристорами с учетом инерционности нагрузки и уровня помех в сети;
• защита силовых компонентов от короткого замыкания и превышения номинального тока нагрузки с использованием внешних трансформаторов тока;
• плавное увеличение мощности нагрузки для предотвращения резких перегрузок питающей сети (до 5 секунд);
• светодиодная индикация режима работы и мощности (10 уровней от 0 до 100 %);
• возможность внешней блокировки управления нагрузкой.

Методы управления

Для регулирования мощности на нагрузке БУСТ формирует сигналы, управляющие тиристорами/симисторами, двумя методами: фазовым или по числу полупериодов (рис. 1). Выбор метода управления зависит от инерционности и характера нагрузки. При фазовом методе на входе БУСТа в зависимости от величины сигнала меняется угол открытия полупроводников. Прибор обеспечивает 256 уровней изменения угла открытия на один полупериод, что позволяет плавно изменять напряжение на нагрузке. Фазовый метод используется для управления малоинерционными объектами, быстро реагирующими на изменение напряжения на нагревателе, а также для управления освещением. Недостатком метода является относительно высокий уровень помех, так как переключение полупроводниковых элементов прои

Рис. 5. Управление дуговой печью

сходит при значении сетевого напряжения отличном от нуля.

Метод управления по числу полупериодов позволяет значительно снизить уровень помех в электросети за счет включения и отключения нагрузки в момент перехода сетевого напряжения через ноль. Однако период следования управляющих сигналов с БУСТа составляет 256 целых полупериодов колебаний сетевого напряжения (2,56 с), из чего следует, что метод применим только для инерционных нагрузок. Количество полупериодов на выходе БУСТа, а значит мощность на нагрузке, зависит от величины сигнала на входе БУСТа: при максимальном уровне сигнала (100 %) на нагрузку подаются 256 полупериодов, при 50 % – 128, при минимальном уровне полупроводниковые элементы закрыты, и на нагрузку напряжение не поступает.

Защита силовых модулей

При возникновении короткого замыкания или превышении номинального тока нагрузки происходит аварийное отключение БУСТа, таким образом обеспечивается защита тиристоров/симисторов.

Для измерения тока на каждой фазе последовательно с нагрузкой устанавливается трансформатор, вторичная обмотка которого подключается к входу устройства контроля тока. При превышении порога происходит аварийное отключение и управление блокируется. Защитный уровень задается пользователем. В аварийном режиме мигают светодиоды, индицирующие уровень управляющего сигнала. Отключение питания прибора снимает аварийное состояние.

Управление

При автоматическом регулировании мощности сигнал с выхода регулятора подается на управляющий вход БУСТа. Вручную управлять симисторами/тиристорами можно с помощью потенциометра: внешнего (БУСТ), встроенного (БУСТ2).

Для управления вентилями используется выходное устройство – импульсный трансформатор с двумя вторичными обмотками, который позволяет подключать к каждому каналу либо симистор, либо два встречно включенных тиристора с управлением в импульсном режиме (рис. 2).

Прибор имеет функцию блокировки, позволяющую организовать аварийное или технологическое отключение нагрузки. На дискретный вход «Блокировка» подается внешний сигнал типа «сухой контакт». При снятии сигнала блокировки прибор плавно возвращается на заданный уровень мощности.

Требования к симисторам и тиристорам

В схемах регуляторов с блоком БУСТ2 используются полупроводниковые вентили общепромышленного исполнения током до 1000 А:

• одноквадрантные – тиристоры;
• трех-, четырехквадрантные – симисторы (триаки).

Квадранты управления тиристоров и симисторов приведены на рис. 3. Квадранты управления вентилями I, II, III и IV отражают все возможные сочетания полярностей напряжения на силовом переходе и токов в затворы вентилей. В зависимости от исполнения симистора или тиристора (квадранта) применяются разные схемы подключения к БУСТ силовых компонентов.

БУСТ обеспечивает эффективную работу по различным схемам подключения. Рабочий квадрант для конкретного типа симистора выбирается на основе рекомендаций производителя использующегося полупроводникового вентиля. Примеры схем подключения полупроводниковых вентилей VS и снабберных компонентов Rs, Cs, VR к БУСТ2 приведены на рис. 4. Рабочие режимы расположены в квадранте I – для тиристоров (схема 4 а, б), в квадрантах I и II – для симисторов (схема 4 в, г), в квадрантах III и IV – для симисторов (схема 4 д, е).

Применение БУСТ

БУСТ широко применяется в системах управления печами сопротивления для различных видов термической обработки металлов, при производстве изделий из керамики, металлокерамики, пластмасс в плавильных печах, в сушильных камерах для сушки древесины, лакокрасочных покрытий, обмазок сварочных электродов, эмалей и др. Регулирующая часть системы включает терморегулятор, БУСТ, силовые цепи коммутации и элементы защиты от перегрузок (рис. 5). В пищевой промышленности БУСТ применяется в хлебопекарнях и на сахарных заводах.

БУСТ2 рекомендован для систем управления как печами сопротивления, так и индукционными печами (канальными и тигельными). В цветной и черной металлургии – для плавки металлов и сплавов (плавильные печи), печах для переплава металлов перед разливкой. Также БУСТ2 может быть применен в системах управления дуговыми конвертерами для термообработки металлов в расплаве солей.

Таблица 1. Основные технические характеристики ОВЕН БУСТ и БУСТ2

Настройка регулятора

После завершения паяльных работ и всех необходимых подключений можно переходить в проверке самодельного изделия на работоспособность. При обнаружении отклонений от нормальных режимов, заданных описанием схемного решения, потребуется настройка прибора. Она заключается в проверке каждого из элементов по току и напряжению. Для этого удобнее всего запастись специальным прибором – мультметром, а еще лучше – электронным осциллографом.

Перед проведением настройки важно помнить о том, что симистор в этой схеме выполняет функцию фазового регулятора. Его основное назначение – переключение цепи в момент перехода полуволной напряжения нулевой точки с учетом величины эксплуатируемой в данное время нагрузки.

В исходном состоянии симистор закрыт, поскольку напряжение на его управляющем электроде не достигло нужной величины. По мере заряда конденсатор через цепочку, открывшуюся за счет поступления полуволны напряжения, потенциал на нем и на подключенном параллельно динисторе постепенно возрастает.

Указанные процессы хорошо видны на экране осциллографа, при наличии которого настройка прибора заметно упростится.

По достижении напряжением в этой точке величины примерно 30 Вольт, динистор и симистор одновременно открываются на время равное полупериоду волны. За счет периодически повторяющейся с частотой 50 Герц коммутации управляющей цепочки удается изменять величину мощности в нагрузке в заданных пределах.

При наличии опыта работы с паяльником и электронными приборами собрать и настроить управляющее устройство удается без особого труда. Главное – внимательность и строгое следование приведенным инструкциям.

Как итог.

Сделать самодельный регулятор мощности для ТЭНа мощностью 3 кВт не трудно. Вы можете самостоятельно в этом убедиться, имея при этом базовый набор технических навыков и умений, а также комплектующих конструкции. Используйте схему, что находится выше, для изготовления столь полезного приспособления, которое можно применить во множестве устройств, например, электронагревателях, инкубаторах, вулканизаторах, паяльниках, дрелях, болгарках, просто в лампах накаливания и много где ещё.

Напишите в комментариях, как вы считаете какой регулятор более качественный и надёжный – самодельный или же фабричный?

Настройка устройства

Существуют схемы регулировки мощности, при нагрузке до 500 Вт или при переменном токе в 220 В. Это могут быть домашние вентиляторы, электродрели. Здесь нужно использовать устройства широкого диапазона, большой мощности. Симисторный регулятор будет использоваться в качестве фазового управления. Основным назначением прибора будет изменение момента включения симистора относительно перехода сетевого напряжения через ноль.

Изначально, в периоде положительного полупериода симистор закрыт. Как только начнёт увеличиваться напряжение, конденсатор заряжается и делится в двух направлениях. По мере увеличения сетевого напряжения, напряжение на конденсате отстаёт на величину, суммарного сопротивления делителя и ёмкости. Конденсатор будет заряжаться до момента получения напряжения около 32 В. В этот момент происходит открытие динистора, а с ним и симистора. Тогда начнёт поступать равный суммарному сопротивлению симистора и нагрузки. Симистор будет открыт на весь полупериод. Таким образом, происходит регулировка мощности напряжения.

Собрать симисторный регулятор мощности достаточно просто, даже не обладая специальными знаниями. Гораздо сложнее чётко усвоить правила его эксплуатации. Чрезвычайно важно, чтобы вышеизложенные нюансы строго соблюдались. В ином случае, собственноручная конструкция не будет функционировать качественно и может принести проблемы, связанные с целостностью и эффективной эксплуатацией электроприборов.