Простой трехканальный тиристорный регулятор мощности

Регулятор мощности, описываемый ниже (РМ), предназначен для регулировки мощности нагревательных приборов мощностью до 2кВт на канал. Каждый из каналов имеет раздельную плавную регулировку. Особенность регулятора в том, что все каналы работают поочередно, нагружая проводку последовательно каждой из подключенных к регулятору нагрузок. Понятно, что схема ограничивает мощность каждого из каналов на уровне 1/3 от номинальной, но в этом и состоит основной смысл постройки такого коммутатора-регулятора-ограничителя. Автором схема разрабатывалась, главным образом, для местных бытовых условий, при отсутствии центрального отопления в доме. При этом электричество является единственным источником отопления. Ситуация такова, что у каждого из жильцов этого дома (в т.ч. – и у автора) в наличии имеется большое количество электрообогревателей (далее - ЭО), штепсели которых неизбежно скопом вставляются в розетки (все хотят тепла много и сразу, невзирая на бешеные тарифы). Как правило, ничего хорошего из этого не получается: горит проводка, выгорают контакты розеток, автоматы, счетчики. Как бы там ни было, вывод был сделан такой, что большее количество нагревательных приборов (с большей, соответственно, суммарной теплоизлучающей площадью) будут работать эффективнее одного ЭО, потребляя в сумме, в общем-то, мощность (в максимуме), равную мощности  одного ЭО. Я использую двухтэновые ЭО конвекторного и маслянного типа (1,25кВт+1,25кВт), поэтому в «осеннем» варианте достаточно одного включенного ТЭНа в каждом из ЭО, в «зимнем» режиме включаются оба ТЭНа. Понятно, что суммарное потребление в первом случае не превышает 1,25кВт для трех ОЭ, во втором – 2,5кВт при том, что тепла при таких «размазанных» по обогреваемой площади киловаттах, излучается больше.

Схема трехканального РМ изображена на рис.1. Трехфазный генератор прямоугольных импульсов выполнен на элементах U2.1-U2.3 (инверторы микросхемы CD40106). Перестройка частота осуществляется подстроечным резистором PR1, который определяет величину базового тока транзисторов Q2-Q4 (вместе с Q1 являются генераторами тока), управляющих в свою очередь током заряда конденсаторов С1-С3. Такое построение схемы генератора позволяет получить относительно стабильную частоту генерации и большой диапазон перестройки генератора (что, в принципе, именно для РМ не важно). В данном случае частота генератора составляет 200Гц (подобрана экспериментально). Регулятор ширины импульсов (далее – РИШ) выполнен на элементах U2.4-U2.6 микросхемы CD40106, а регулировка импульсов осуществляется потенциометрами PR2-PR4. Ограничение регулировки ШИ задано с помощью постоянных резисторов R5R8-R6R9-R7R10 для каждого из каналов на уровне не более 1/3 от периода, создавая условие для невозможности пересечения импульсов во времени при их максимальной ширине на выходе РИШ. Выходы элементов нагружены непосредственно на светодиоды оптронов VO1-VO3, которые управляют тиристорами включенными встречно-параллельно.

Схема управления запитана напряжением +5В от стабилизатора U3, на вход которого подано напряжение +12В от внешнего AC-DC преобразователя. Стабилизатор U1 при этом не используется. Не предусмотрена на ПП РМ и размещение светодиодов HL1-HL3, которые вынесены за пределы корпуса РМ и монтируются на выносных силовых разъемах, предназначенных для непосредственного подключения ЭО вместо розеток. Тип разъемов SS-130A («мама»). Все силовые разъемные части на ЭО были заменены, соответственно, на «папы» этого же типа вместо привычных «евровилок», что исключило соблазн подключения непосредственно к стандартной евророзетке.

Рис.3 вариант монтажа согласно принципиальной схемы, с регулировочными компонентами на плате

Схема РМ размещена на печатной плате (рис.2). Вариант монтажа платы показан на рис.3. Т.к. в конструкцию РМ была добавлена индикация мощности (далее ИМ) для каждого из каналов, на дополнительном перфорированном участке платы РМ дополнительно были смонтированы три инвертирующих элемента (CD4093) для согласования выхода РИШ с платами ИМ. Этот вариант монтажа показан на рис.4.  

Заполнение шкалы индикатора зависит непосредственно от ширины импульсов, и - максимально, соответственно, при максимуме ШИ на выходе РИШ и, наоборот, минимально (в свечении принимает участие один светодиод) при минимальной ШИ. ИМ собраны на трех отдельных печатных платах с применением микросхем LM3914N. Схема ИМ отображена на рис.5, печатная плата – на рис.6. Питание плат ИМ осуществляется напряжением +12В. Подстройка диапазона индикации производится резисторами PR1/PR2, расположенных на платах ИМ.

Рис.5 Принципиальная схема индикатора мощности

РМ помещен в пластмассовый корпус размером 220Х165Х40мм (общий вид размещения компонентов РМ показан на рис.7). Платы ИМ и потенциометры PR2-PR4 размещены на лицевой панели корпуса (рис.8). На тыльной панели (рис.9) размещен блок силовых разъемов типа SS-130A (позаимствованный от старого ИБП) для подключения ЭО непосредственно, либо через упомянутые выше выносные разъемы. Там же размещен выключатель, обесточивающий AC-DC преобразователь (+12В), обесточивающий таким образом схему управления РМ (соответственно, на ЭО питающее напряжение так же поступать не будет); входной силовой разъем, обеспечивающий подачу ~220В для питания РМ.

Группа тиристоров размещена на печатной плате и прижата к поверхности радиатора через изолирующие прокладки пружинными скобами. Для улучшения теплового контакта тиристоров с поверхностью радиатора использована термопаста.

Внешний вид готового устройства показан на рис.10.

РМ, смонтированный из комплекта исправных комплектующих, без проблем запускается при подаче питающего напряжения. Настройка РМ начинается с подстройки частоты генератора (PR1). Оптимальное значение частоты генератора при использовании в схеме оптронов с детектором зеро-перехода, - 200Гц. При этом светодиоды, установленные на выносных силовых разъемах, мигают с частотой около 4Гц. Эта индикация предназначена для визуального подтверждения работы каждого из каналов и необязательна. Так же будет мигать и штатная индикация ЭО (если имеется). «Глубина» мигания косвенно свидетельствует о подаваемой на ЭО процента мощности. Далее настраивается диапазон регулировки РИШ каждого из каналов. Возможно, что при этом придется подбирать номиналы  резисторов R5R8-R6R9-R7R10, ориентируясь на осциллограммы или показания измерителя длительности импульсов. Описанные выше регулировочные процедуры следует выполнять без подключения силовой части (для безопасности) с подключением лишь питающих напряжений, необходимых для питания схемы управления. Настройку РМ на этом можно считать законченной. При замене микросхем CD40106 на такие же, но от других производителей, после произведенных регулировочных процедур, процедуру регулировки, возможно, следует повторить, т.к. микросхемы от разных производителей могут иметь различные пороги срабатывания. Инверторы микросхемы CD40106 содержат входные триггеры Шмитта, но могут быть заменены микросхемами, инверторы которых не содержат ТШ (например, аналогичные по цоколевке 74AC04). В этом случае понадобится существенное изменение номиналов R5R8-R6R9-R7R10 при настройке.

При использовании оптронов без зеро-детектора, частоту генератора следует выбирать выше с учетом того, что слишком короткие импульсы управления могут привести к непредсказуемому поведению тиристоров. Поэтому минимальную границу диапазона регулировки РИШ не стоит настраивать менее, чем на 20% от мощности. Такая же рекомендация справедлива и для схемы с исходными типами компонентов.

Список радиоэлементов

^{Скачать список элементов (PDF)}

Теги:

• Регулятор мощности
• ШИМ
• DipTrace