Регулятор мощности на MOSFETах
Регуляторы мощности переменного тока с фазоимпульсным управлением получили широкое распространение как в устройствах промышленной автоматики, так и в радиолюбительских конструкциях. Регулирующим элементом таких устройств является триодный тиристор, момент (угол) открывания которого регулируется подачей импульса или уровня напряжения на управляющий электрод,
а закрывание происходит в момент уменьшения тока, протекающего через тиристор, до нуля (при активной нагрузке — в момент перехода сетевого напряжения через ноль). Такое управление называется неполным, поскольку можно регулировать только угол открывания тиристора, а момент закрывания не регулируется. Разработанные в последние годы мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) позволяют построить несложный ключ для коммутации переменного тока с полным управлением, т.е. открыванием и закрыванием ключа.
Схема регулятора мощности представлена на рис.1. Силовой ключ выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных встречно-последовательно. Наличие в каждом транзисторе внутреннего защитного диода, включенного параллельно каналу в обратной полярности (анодом к истоку, катодом к стоку), позволяет обеспечивать протекание тока в нагрузке при положительных и отрицательных полупериодах сетевого напряжения.
На трех логических элементах микросхемы DD1 выполнен генератор импульсов с регулируемой скважностью. Частота импульсов — около 2 кГц (значительно выше частоты сетевого напряжения). При наличии высокого уровня на выходе инвертора DD1.3 транзисторный ключ открыт, и ток протекает через нагрузку. При этом в положительный полупериод ток протекает через открытый канал транзистора VT1 и защитный диод транзистора VT2, а в отрицательный полупериод — наоборот, через защитный диод транзистора VT1 и открытый канал транзистора VT2. Если же на выходе DD1.3 — низкий уровень, то оба транзистора закрыты, и нагрузка обесточена. Временные диаграммы работы регулятора показаны на рис.2. Очевидно, что изменение скважности импульсов позволяет изменять мощность нагрузки от нуля до максимального значения, соответствующего полному напряжению сети.
Питание микросхемы DD1 производится от однополупериодного выпрямителя с параметрическим стабилизатором, собранным на элементах R2 VD3, VD4, С2 Следует обратить внимание, что стабилизатора напряжения соединен с истоками полевых транзисторов и с общим проводом микросхемы, поэтому напряжение на затворы транзисторов подается относительно их истоков
Преимущество данного способа регулирования мощности перед фазоимпульсным состоит в том, что коммутация нагрузки происходит со значительно большей частотой, чем в регуляторах на тиристорах, это позволяет регулировать мощность для малоинерционных нагрузок.
Указанные на схеме полевые транзисторы IRF840 имеют следующие параметры: ток стока — 8 А, максимальное напряжение между стоком и истоком — 500 В, сопротивление канала в открытом состоянии — 0,85 Ом, рассеиваемая мощность — 125 Вт. Эти транзисторы можно заменить на IRF740, IRFP450, IRFP460, IRFPC50, IRFPC60, IRFP350, IRFP360 BUZ80. Перед установкой в устройство следует убедиться, что транзистор имеет защитный диод (это легко сделать с помощью омметра). Максимальная мощность нагрузки определяется предельным током открытого транзистора, при этом мощность, выделяющаяся на открытом канале, не должна превышать предельно допустимую Частота генератора в случае необходимости может быть изменена подбором емкости С1.
1. Колдунов А Транзисторы MOSFET. — Радиомир, 2004, N4 С 26
2 Семенов Б.Ю Силовая электроника для любителеи и профессионалов — М. СОЛОН-Р 2001
Регулятор мощности на MOSFETах
Регуляторы мощности переменного тока с фазоимпульсным управлением получили широкое распространение как в устройствах промышленной автоматики, так и в радиолюбительских конструкциях. Регулирующим элементом таких устройств является триодный тиристор, момент (угол) открывания которого регулируется подачей импульса или уровня напряжения на управляющий электрод,
а закрывание происходит в момент уменьшения тока, протекающего через тиристор, до нуля (при активной нагрузке — в момент перехода сетевого напряжения через ноль). Такое управление называется неполным, поскольку можно регулировать только угол открывания тиристора, а момент закрывания не регулируется. Разработанные в последние годы мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET) позволяют построить несложный ключ для коммутации переменного тока с полным управлением, т.е. открыванием и закрыванием ключа.
Схема регулятора мощности представлена на рис.1. Силовой ключ выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных встречно-последовательно. Наличие в каждом транзисторе внутреннего защитного диода, включенного параллельно каналу в обратной полярности (анодом к истоку, катодом к стоку), позволяет обеспечивать протекание тока в нагрузке при положительных и отрицательных полупериодах сетевого напряжения.
На трех логических элементах микросхемы DD1 выполнен генератор импульсов с регулируемой скважностью. Частота импульсов — около 2 кГц (значительно выше частоты сетевого напряжения). При наличии высокого уровня на выходе инвертора DD1.3 транзисторный ключ открыт, и ток протекает через нагрузку. При этом в положительный полупериод ток протекает через открытый канал транзистора VT1 и защитный диод транзистора VT2, а в отрицательный полупериод — наоборот, через защитный диод транзистора VT1 и открытый канал транзистора VT2. Если же на выходе DD1.3 — низкий уровень, то оба транзистора закрыты, и нагрузка обесточена. Временные диаграммы работы регулятора показаны на рис.2. Очевидно, что изменение скважности импульсов позволяет изменять мощность нагрузки от нуля до максимального значения, соответствующего полному напряжению сети.
Питание микросхемы DD1 производится от однополупериодного выпрямителя с параметрическим стабилизатором, собранным на элементах R2 VD3, VD4, С2 Следует обратить внимание, что стабилизатора напряжения соединен с истоками полевых транзисторов и с общим проводом микросхемы, поэтому напряжение на затворы транзисторов подается относительно их истоков
Преимущество данного способа регулирования мощности перед фазоимпульсным состоит в том, что коммутация нагрузки происходит со значительно большей частотой, чем в регуляторах на тиристорах, это позволяет регулировать мощность для малоинерционных нагрузок.
Указанные на схеме полевые транзисторы IRF840 имеют следующие параметры: ток стока — 8 А, максимальное напряжение между стоком и истоком — 500 В, сопротивление канала в открытом состоянии — 0,85 Ом, рассеиваемая мощность — 125 Вт. Эти транзисторы можно заменить на IRF740, IRFP450, IRFP460, IRFPC50, IRFPC60, IRFP350, IRFP360 BUZ80. Перед установкой в устройство следует убедиться, что транзистор имеет защитный диод (это легко сделать с помощью омметра). Максимальная мощность нагрузки определяется предельным током открытого транзистора, при этом мощность, выделяющаяся на открытом канале, не должна превышать предельно допустимую Частота генератора в случае необходимости может быть изменена подбором емкости С1.
1. Колдунов А Транзисторы MOSFET. — Радиомир, 2004, N4 С 26
2 Семенов Б.Ю Силовая электроника для любителеи и профессионалов — М. СОЛОН-Р 2001
В сетевых регуляторах мощности в основном применяют фазоимпульсное управление, когда момент открывания полупроводникового ключа (тиристора, симистора) задерживается относительно момента перехода сетевого напряжения через ноль, а закрывание происходит, когда ток через прибор становится меньше тока удержания. Особенность регулятора мощности, рассмотренного в этой статье, в том, что силовые ключи на MOSFET-транзисторах открываются при переходе сетевого напряжения через ноль, а закрываются после формирования временной задержки 555-м таймером.
С появлением мощных полевых высоковольтных транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) появилась возможность разрабатывать схемы регуляторов с применением их в качестве полупроводниковых ключей. Одна из таких конструкций описана в [1]. Но в этой схеме не применяется фазоимпульсное управление.
В конструкции, предложенной в [2], рассмотрен сетевой регулятор на мощном триаке типа ВТ136-600Е с фазоимпульсным управлением. При сопоставлении этих двух схем возникла мысль взять самое лучшее из рассматриваемых конструкций и создать новую на мощных полевых транзисторах с фазоимпульсным управлением на 555-м таймере. В результате была разработана схема, показанная на рис.1.
Схема управления ключами /Т2 и /ТЗ типа IRF840 взята из [2], только 555-й таймер в этой схеме обеспечивает не задержку включения, как в [2], а формирование времени включенного состояния полупроводниковых ключей VТ2 и VТЗ. Длительность включённого состояния транзисторов можно определить по формуле:
Диоды VD7 и VD8 — это двухсторонний диодный ограничитель напряжения на затворах полевых транзисторов VT2, VТЗ. Питание таймера DА2 организованно так, как предложено в статье [3], с помощью ограничителя на стабилитроне VD10 и резисторах R12, R1З и выпрямителя VD9, С5.
Конструкция и детали
В предлагаемой схеме необходимо использовать заведомо исправные радиоэлементы. Постоянные резисторы типа МЛТ, не менее указанной на схеме мощностью. Переменный резистор типа СПЗ-4аМ. Элементы, обведенные на схеме пунктирной линией, относятся к схеме формирования импульса при переходе сетевого напряжения через ноль. Схема выполнена на SMD-элементах типоразмера 1206, исключая оптрон DA1 и диоды моста VD1-VD4, но вместо КД102Б в этих позициях можно использовать SMD-диоды типа GS1K.
Детали формирования импульса при переходе сетевого напряжения через ноль установлены на плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 36×36 мм (фото 1). Оптрон запаян в отверстия с обратной стороны этой платы.
Чертеж печатной платы формирователя и расположение деталей на ней показано на рис.2.
Остальные элементы, исключая мощные транзисторы VТ2, VТЗ и элементы R14, НL1,VD11, размещены на второй плате из одностороннего фольгированного стеклотекстолита размерами 66×36 мм (фото 2).
Чертеж этой платы показан на рис.3, а расположение деталей на ней — на рис.4.
Конденсаторы С2 и СЗ типа К73-17 или К73-9. Электролитический конденсатор С5 импортный, например, фирмы НIТАNО. Диоды VD7, VD8 можно заменить отечественными типа КД522Б. Светодиод может быть любого цвета свечения, как импортный, так и отечественный. Он устанавливается в отверстие на лицевой панели конструкции.
Полевые транзисторы можно применить типа КП707В или иные, импортные, с характеристиками, соответствующими применяемой нагрузке. Элементы R14 и VD11 монтируются непосредственно на выводах розетки устройства.
Внутри корпуса установлена общая плата из стеклотекстолита размерами 80×110 мм. На плате имеются отверстия для крепления радиатора. Радиатор использован от устройства регулировки температуры РТ-3. Размеры радиатора 70×40 мм. Радиатор имеет 8 ребер высотой 20 мм. На радиаторе через изоляционные прокладки из слюды закреплены транзисторы VТ2, VТЗ. Выводы транзисторов соединены с платой (фото 3) проводом МГТФ. Силовые цепи выполнены двойным проводом этого типа. Плата формирования импульса при переходе сети через ноль смонтирована с обратной стороны общей платы, напротив радиатора. Плата управления транзисторами установлена на втулки над переменным резистором R8. Монтаж внутри корпуса также выполнен проводом МГТФ. Вся конструкция расположена в корпусе устройства регулировки температуры РТ-3.
Налаживание
При наличии осциллографа, контролируя напряжение на выводе 3 таймера, необходимо проверить длительность импульса, при вращении ручки резистора R8. Длительность должна меняться в пределах от 2 мс до 9,8 мс, но ни в коем случае она не должна превышать 10 мс, что может нарушить правильность запуска схемы. Времязадающие резисторы R8, R9 и конденсаторы С2, СЗ имеют разброс параметров. Поэтому при налаживании возникнет необходимость подбора R9, С2 и СЗ.
Все пайки и замены элементов необходимо производить только при извлеченной вилки сетевого шнура из розетки бытовой сети. В противном случае, можно получить поражение электрическим током, так как элементы конструкции находятся под потенциалом сети.
При отсутствии осциллографа настройку схемы можно провести, включив вместо нагрузки лампу накаливания мощностью 40… 100 Вт, контролируя накал нити накала. При минимальном напряжении нить накала светит еле заметным темно-красным цветом. При полностью выведенной ручке регуляторе вправо лампа накаливания должна светить в полный накал. Впрочем, при желании, можно сузить диапазон регулировки. Работа этого регулятора проверялась совместно с электроплиткой мощностью 1 кВт.
Литература
- Белоусов О. Регулятор напряжения на МОSFЕТ-транзисторах // Электрик. — 2012. -№12-С.64-66.
- Белоусов О. Сетевой регулятор напряжения на 555-м таймере // Радиоаматор. — 2013. — №5 — С.26-28.
- Калашник В. Мощный коммутатор с опторазвязкой // Электрик. — 2013. — №5 — С.51, 52.
Автор: Олег Белоусов, г. Черкассы