Совершенствуя один из ранее опубликованных симисторных регуляторов, автор улучшил его характеристики, дополнил узлом защиты от перегрузки и подтвердил свои технические решения расчетами.

При налаживании симисторного регулятора, собранного по описанию в [1], было обнаружено, что ввести его в режим максимальной мощности в нагрузке не удается. “Виновником” оказался генератор на однопереходном транзисторе КТ117А, выдающий в каждом полупериоде сетевого напряжения не один, а несколько импульсов. В результате конденсатор в цепи питания усилителя импульсов не успевал зарядиться к началу следующего полупериода и энергии импульсов не хватало для открывания симистора.

Схема усовершенствованного регулятора представлена на рисунке 1. В нем не только устранен описанный выше недостаток, но и предусмотрено устройство защиты от превышения допустимого значения тока в цепи нагрузки.

 Рис.1.

В отличие от прототипа, генератор импульсов здесь выполнен на комплиментарной паре транзисторов (VT1 КТ361 Г, VT2 КТ315Г). В момент, когда нарастающее по мере зарядки конденсатора С3 напряжение на эмиттере транзистора VT1 превышает напряжение на его базе, генератор выдает одиночный импульс. Оба транзистора лавинообразно открываются, конденсатор С3 разряжается в основном через участок база-эмиттер транзистора VT3. Этот транзистор открывается, и конденсатор С5 разряжается через обмотку I импульсного трансформатора Т2. Импульс с обмотки II импульсного трансформатора открывает симистор VS2.

Транзисторы VT1 и VT2 остаются открытыми до момента перехода сетевого напряжения через нуль, точнее, до снижения напряжения на питающей шине до 4...6 В. После их закрывания генератор готов выдать очередной импульс. Момент выдачи импульса определяется длительностью зарядки конденсатора С3 до напряжения открывания транзисторов и зависит от суммарного сопротивления постоянного резистора R7 и переменного R6.

Благодаря тому, что в каждом полупериоде генератор вырабатывает только один импульс, разрядившийся конденсатор С5 всегда имеет возможность заряжаться через диод VD8 в течение почти целого полупериода, за исключением короткого интервала, когда мгновенное значение сетевого напряжения близко к нулю. При среднем токе зарядки I_{зap cp} приблизительно 9 мА (он зависит от сопротивления резисторов R1 и R2) конденсатор С5 успеет за полупериод (10 мс) зарядиться до 22В (ограничено стабилитронами VD2 и VD3), если его емкость не более

С5 £ I_{зap cp} * 10^-2/ 22 = 9*10^-3* 10^-2 /22

Какой может быть минимальная емкость этого конденсатора? Чтобы симистор VS2 (ТС132-50-6, [2]) открылся, напряжение на его управляющем электроде

Uy должно превышать 4В в течение не менее t_вкл — 12 мкс. Ток управляющего электрода Ry при таком напряжении — 200 мА. Сопротивление цепи управляющего электрода Ry можно оценить по закону Ома:

R = Uy / Iy = 4/0.2 = 20 Ом.

С учетом коэффициента трансформации k трансформатора Т2 приведенные к его первичной обмотке значения напряжения и сопротивления:

Uiy = Uyk = 4-1,5 = 6B;

Riy = Ryk² = 20-1,52 = 45Oм.

Из уравнения

Uiy = U₀e ^{- tвкл/C5Riy}

где U₀ = 22В — исходное напряжение на конденсаторе С5, найдем

C5 ³ (t_вкл/Riy)ln(U₀/Uiy) = (12*10^-6/45)*ln(22/6) = 12*10^-6/45*1,3 = 0,34 мкФ.

Емкость конденсатора С5 выбираем равной 1 мкФ.

Устройство защиты от перегрузки выполнено на тринисторе VS1 КУ101Г. Под действием сигнала датчика перегрузки — трансформатора тока Т1 — тринистор открывается, что приводит к снижению напряжения на выходе диодного моста VD1 приблизительно до 4 В. Это меньше напряжения стабилизации стабилитрона КС168А (VD7). Поэтому генератор импульсов на транзисторах VT1 и VT2 прекращает работу, симистор VS2 более не открывается. О срабатывании защиты свидетельствует свечение светодиода HL1.

Благодаря конденсатору С1 и диоду VD6 ток через тринистор VS1 в моменты перехода сетевого напряжения через июль не прекращается и тринистор остается открытым. Чтобы вернуть регулятор со сработавшей защитой в рабочее состояние, необходимо на несколько секунд (время, достаточное для разрядки конденсатора С1) отключить его от сети.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора Т1 пропорционально току, текущему в первичной обмотке, включенной последовательно в цепь нагрузки. На управляющий электрод тринистора VS1 поступает часть напряжения вторичной обмотки, выпрямленного диодами VD4 и VD5. С помощью подстроечного резистора R4 регулируют порог срабатывания защиты. Конденсатор С2 предотвращает ее срабатывание от импульсных помех.

Трансформатор тока в качестве датчика перегрузки удобен тем, что даже при токе, значительно превышающем установленный порог срабатывания защиты (например, при коротком замыкании нагрузки), напряжение на его вторичной обмотке остается безопасным для прочих элементов устройства. Это происходит благодаря резкому уменьшению коэффициента трансформации вследствие насыщения магнитопровода.

Примененный в регуляторе трансформатор тока Т1 изготовлен из трансформатора Т-Ш-3М от абонентского громкоговорителя. Подобный можно найти и в некоторых телефонных аппаратах. Сечение его Ш-образного магнитопровода Sм = 64*10^-6 м², средняя длина магнитной линии Iм = 72*10^-3 м. Экспериментально определенная относительная магнитная проницаемость m г = 0,7*10³ при индукции не более 1 Тл. Насыщение наступает при индукции 1,6...1,8 Тл.

Приведем расчет трансформатора тока:

1. Напряженность поля, необходимая для получения индукции В = 1 Тл,

Н = B/m r*m ₀ = 1/4p *10^-7*0,7*10³ = 1140 А/м

2.Требующиеся для этого ампер-витки

AW = H/м =1140 * 72 * 10^-3 = 81,8A.

3. Амплитуда тока нагрузки при максимальной мощности Р = 2500 Вт и эффективном значении напряжения U = 220В равна

Ia = (P/U) * Ö 2 = 2500/220 = 1,41 = 16A

4. Число витков первичной (токовой) обмотки

w₁ = AW/Ia = 81,8/16 = 5,1

Принимаем w₁ = 5.

5. Индуктивность первичной обмотки

L₁ = (m r*m ₀)*(w₁²/Iм )* Sм = 4p * 10^-7* 0,7*10^-3 * (5²/72*10^-3) = 19,5 * 10^-6 Гн.

6. Индуктивное сопротивление первичной обмотки при частоте сети f = 50 Гц

X₁= 2p fL₁ = 6,28*50*19,5*10^-6 = 6,1*10^-3 Oм.

7. Падение напряжения на индуктивном сопротивлении первичной обмотки

Uia = IaX₁ = 16*6,1*10^-3 = 0,1В

8. Для надежного открывания тринистора КУ101 необходимо подать на его управляющий электрод напряжение не менее 15В [2]. Именно такой должна быть амплитуда напряжения на вторичной обмотке U2. Число ее витков

w₂ = (U₂/U₁)*w₁ = (15/0.1)*5 = 750.

Так как в устройстве применен двухполупериодный выпрямитель (диоды VD3, VD4), вторичная обмотка трансформатора фактически должна состоять из вдвое большего числа витков — 1500 с отводом от середины. Протекающий по этой обмотке ток очень мал, поэтому диаметр провода выбирают исходя лишь из его механической прочности и возможности размещения нужного числа витков в окне магнитопровода.

Первичную обмотку наматывают в один слой поверх хорошо изолированной вторичной проводом сечением не менее 4...5 мм². Провод такого сечения очень неудобен в намотке, поэтому лучше воспользоваться жгутом из большого числа тонких проводов суммарным сечением, равным требуемому. Провода жгута соединяют параллельно.

Налаживание регулятора сводится к установке тока срабатывания защиты подстроечным резистором R4 и к подборке номинала резистора R7, от которого зависит верхний предел интервала регулирования мощности (обычно 94...97 %). Номинал R7 выбирают таким образом, чтобы в режиме максимальной мощности не наблюдались “пропуски” полупериодов из-за неоткрывания симистора VS2. Для подавления создаваемых регулятором радиопомех следует использовать рекомендованный в [1] фильтр.

Б. Лавров

Литература:

1. Сорокоумов С. Симисторный регулятор повышенной мощности. — Радио, 2000, №7, с. 41.

2. Замятин В. и др. Мощные полупроводниковые приборы. Тиристоры (справочник). — М.: Радио и связь, 1987.