Как ограничить напряжение

Простые электронные ограничители тока

Любое электронное устройство имеет источник питания, за счет энергии которого оно выполняет свои функции. И неудивительно, что в печати значительное место отводится их описаниям, рекомендациям по конструированию, рассмотрению работы отдельных узлов, предложениям по их улучшению.

Следует отметить, что современные источники питания, как правило, обладают довольно низким выходным сопротивлением. И по этой причине в нештатных ситуациях, даже при низких напряжениях на их выходе, не исключены значительные токовые перегрузки, приводящие к повреждению источника или самого устройства. В связи с этим источники питания, как правило, снабжаются системами защиты. Они достаточно разнообразны, обладают большей или меньшей автономностью относительно конструкции самого источника.

Один из вариантов такого устройства, которое можно использовать в виде самостоятельного узла, предлагается в [1]. Его принцип действия основан на ограничении потребляемого тока, в качестве датчика которого применяется низкоомный резистор, включенный последовательно в один из проводов между источником питания и нагрузкой. Напряжение с датчика, пропорциональное потребляемому току, после усиления используется для управления проходным транзистором. Изменением в нужный момент режима его работы и выполняется непосредственная защита от перегрузки.

В указанной статье в качестве прототипа приводится хорошо известная структура на двух биполярных транзисторах (Рисунок 1). Основной недостаток устройства – значительное падение напряжения на нем, которое достигает максимального значения при предельном рабочем токе. По данным автора, оно составляет примерно 1.6 В, причем на проходном транзисторе VT1 падает около 1 В, а на токовом датчике Rs – остальные 0.6 В. В связи с чем автором предлагается другая схема, которая позволяет снизить падение напряжения на нем до 0.235 В при токе ограничения в 1.3 А. Это значение достаточно мало, правда достигается оно использованием более сложной схемы, содержащей около 20 элементов [1].

Рисунок 1.

Принципиальная схема прототипа ограничителя тока.

С другой стороны, эта конструкция, по сравнению с предложенной автором, привлекает своей простотой. И в связи с этим возникает вопрос: а можно ли, оставаясь в рамках такой простой структуры, добиться снижения падения напряжения на подобном предохранителе без ее заметного усложнения? И каким образом?

Как следует из приведенных числовых данных по прототипу, наибольшее падение напряжения приходится на проходной биполярный транзистор VT1. Анализ показывает, что при подобном включении добиться его насыщения, и тем самым достичь малых значений падения напряжения, невозможно без дополнительного источника питания. Но его введение только для этой цели было бы накладным. И хотя можно было бы, наверное, предложить и какие-то другие способы уменьшения этих потерь на VT1, будет рациональнее сразу произвести замену биполярного транзистора на полевой с низким значением сопротивления канала. Это позволит уменьшить как падение напряжения на регулирующем транзисторе, так и собственное потребление ограничителя за счет снижения токов управления. Кроме того, целесообразно изменить связи между транзисторами так, чтобы преобразовать ограничитель в систему двух усилительных каскадов, вместо лишь одного в исходной структуре. В конечном итоге принципиальная схема исследуемого ограничителя будет выглядеть уже так (Рисунок 2), которую можно рассматривать и как упрощенный вариант устройства, приведенного в [2].

Рисунок 2.

Принципиальная схема преобразованного ограничителя тока.

Проверка работоспособности предлагаемого ограничителя, а также выполнение измерений, проводились на макете, в котором использовались в качестве VT1 полевой транзистор IRF9540, установленный на радиаторе, VT2 – транзистор SS8550 с β ≈ 300, R_S – резистор 1.2 Ом, R1 – 4.2 кОм, а нагрузкой являлся набор переменных проволочных резисторов необходимой мощности. Напряжение на входе ограничителя составляло 12 В. Результаты измерений приведены на Рисунке 3.

Рисунок 3.

Зависимость падений напряжения на датчике тока RS и проходном транзисторе VT1 на начальной стадии ограничения.

Испытание ограничителя коротким замыканием показало, что при выполнении этой манипуляции ток через проходной транзистор устанавливается на уровне 0.5 А при напряжении на токовом датчике 0.60 В. И, таким образом, подобный ограничитель тока вполне работоспособен. Можно также отметить его довольно высокое выходное сопротивление в режиме ограничения тока – при изменении напряжения на его выходе в интервале 0…11.3 В ток через нагрузку практически остается равным 0.5 А. Кроме того, в связи с известной зависимостью параметров транзисторов от температуры, была проконтролирована зависимость значения ограничения тока от нагрева VT2. Как оказалось, ее величина составила всего около –0.2% относительной погрешности на градус.

Из анализа графиков следует, что падение напряжения на проходном транзисторе этой конструкции уже достаточно мало и даже на краю токового диапазона не превышает 0.1 В. Можно так же отметить, что на графике зависимости падения напряжения на VT1 визуально можно выделить два интервала. На первом из них, при токах от 0 до 0.45 А, рост падения напряжения является его линейной функцией, что указывает на насыщение транзистора в этой части диапазона. И действительно, вычисленное по этим данным сопротивление канала транзистора составляет приблизительно 0.125 Ом, что практически совпадает с паспортными данными используемого транзистора VT1. При бóльших же токах, в интервале 0.45 – 0.5 А, происходит сначала медленный, а затем резкий нелинейный рост этой величины, связанный уже с включением механизма ограничения тока.

Таким образом, из приведенных выше данных следует, что общее падение напряжения на ограничителе заметно снизилось, и уже определяется в основном не падением напряжения на VT1, а напряжением датчика R_S. Каким же образом можно уменьшить последнюю величину?

Ответ напрашивается сам собой – нужно уменьшить значение R_S, как это и сделано в [1], а для компенсации снижения уровня сигнала датчика использовать дополнительный усилитель. Но с другой стороны, и в рассмотренной выше схеме (Рисунок 2) такой усилитель, выполненный на транзисторе VT2, уже есть. Тем не менее, его параметры не позволяют снизить падение напряжения R_S до меньших значений, хотя он и обладает достаточно высоким коэффициентом усиления. В связи с этой проблемой рассмотрим подробнее особенности работы VT2 в роли предварительного усилителя сигнала с датчика тока.

Как следует из принципиальной схемы (Рисунок 2), ограничение тока через VT1 происходит за счет изменения напряжения на его затворе, возникающего при изменении коллекторного тока транзистора VT2. Управление же его режимом осуществляется напряжением с резистора датчика тока R_S. И, как следует из данных последних измерений (Рисунок 3), выход устройства на полное ограничение тока происходит только при напряжениях около 0.6 В на его базе относительно эмиттера. Этим обстоятельством и определяется величина сопротивления резистора R_S.

Но характерно, что часть напряжения на датчике в диапазоне от 0 до 0.55 В можно считать «лишней», поскольку в этом интервале VT2 практически не «чувствует» его, а по настоящему «рабочим» для него будет только интервал 0.55 — 0.6 В. Сдвинув же нижнюю границу чувствительности усилителя, визуально составляющую 0.55 В, к нулю, можно будет решить проблему снижения значения R_S.

Технически этого результата можно достичь, например, вводом в цепь между базой VT2 и правым выводом R_S отдельного вспомогательного источника напряжением 0.55 В. Но удобнее сформировать его применением делителя из двух резисторов, включенных между общим проводом и эмиттером транзистора VT1 (резисторы R2, R3, Рисунок 4). И его параметры должны обеспечивать падение напряжения на R2, равное 0.55 В. Для меньшей зависимости этой величины от входного тока транзистора ток этого делителя желательно выдерживать в пределах 0.5 — 1 мА. При этих условиях уже незначительное напряжение на R_S переведет транзистор VT2 в активный режим начала ограничения, а полное ограничение тока произойдет при падения напряжения на R_S всего лишь немногим более 0.05 В. Понятно, что изменением этих резисторов можно будет изменять порог ограничения тока. И это будет удобнее, чем подбирать величину R_S.

Рисунок 4.

Принципиальная схема ограничителя тока со сниженным падением напряжения на резистивном датчике.

Новая редакция принципиальной схемы ограничителя, уже с учетом изложенных соображений, представлена на Рисунке 4. Его макет для испытаний был выполнен с сохранением деталей устройства предыдущей версии с изменением сопротивления R_S на 0.2 Ом, а установленные дополнительные резисторы R2 и R3 имеют значения, соответственно, 680 Ом и 15 кОм. Условия проведения испытаний и измерений сохранены теми же, что и ранее.

Основные результаты испытаний, как следует из представленных графиков (Рисунок 5), сводятся к следующему. Как и ранее, ток короткого замыкания устройства составляет 0.5 А. Точнее, реально при указанных значениях резисторов R2, R3, он составил 0.48 А, но это значение было скорректировано включением последовательно с R3 дополнительного переменного резистора. Что касается максимального значения падения напряжения на датчике R_S, то оно упало пропорционально уменьшению величины установленного R_S и составило всего около 0.1 В. График падения напряжения на регулирующем транзисторе, по сравнению с аналогичным параметром предыдущей схемы, в общем, сохранил свои черты, хотя и несколько изменился. Так, например, следует обратить внимание на то, что в этот раз область резко нелинейного роста падения напряжения на проходном транзисторе сместилась в диапазон 0.4 — 0.5 А, а в остальной – растет практически линейно. Из этого следует, что определенный резерв по снижению падения напряжения на датчике тока R_S еще есть.

Рисунок 5.

Зависимость падения напряжения на RS и проходном транзисторе VT1.

Как уже отмечалось, незначительная коррекция тока ограничения в этой конструкции была проведена изменением сопротивления R3, но когда требуется его значительное изменение, удобнее пользоваться R2. При расчете его величины целесообразно предварительно задаться величиной максимального падения напряжения V_SM на датчике тока R_S в режиме ограничения. В принципе, это значение может быть любым из интервала от 0 до 0.6 В. Но нужно иметь в виду, что с его уменьшением ухудшается температурная стабильность предложенного решения. Так при V_SM = 0.6 В температурный коэффициент зависимости изменения предела ограничения тока в области комнатных температур не превышает значения 0.2% на градус, а при V_SM = 0.1 В этот показатель возрастает уже до 1.5% . Эта величина в ряде случаев может оказаться еще приемлемой, и ее условно можно принять за нижнюю границу интервала допустимых значений V_SM, верхняя же будет обусловлена максимальным падением напряжения на базе транзистора VT2 в режиме ограничения тока. Если для расчета выбрать V_SM равным 0.15 В, то из этого условия при заданном токе ограничения I_M, например, 1.5 А, определится величина

Далее, допустив, что в режиме ограничения сумма падений напряжения на R_S и R2 будет равняться 0.6 В, как это следует из результатов предшествующих измерений (Рисунок 3), получим уравнение:

из которого следует, что

При V_ВХ = 12 В и R3 = 15 кОм получаем, что R2 = 0.58 кОм.

При необходимости этим резистором, если его заменить на переменный, можно будет оперативно менять ток ограничения в значительных пределах, что, правда, будет сопровождаться изменением величины максимального падения напряжения V_SM и соответствующего ему изменения температурного коэффициента нестабильности.

Подводя итог обсуждению вопроса о конструкции простого ограничителя тока (Рисунок 4), можно сделать вывод о том, что изменения, внесенные в структуру прототипа (Рисунок 1), в конечном итоге, позволили снизить потери напряжения на нем до десятых долей вольта. Следует также добавить, что его работа выборочно была проверена и в других режимах, не отраженных в статье. В частности, при токах ограничения в диапазоне от 10 мА до 5 А и входных напряжениях 7, 12 и 20 В. Для адаптации к этим условиям изменялись лишь значения R_S ( 0.05, 0.2 и 1.2 Ом), а для задания тока ограничения в качестве R2 использовался переменный резистор на 1 кОм, сопротивление которого устанавливалось в соответствии с расчетом по (2). Все остальные элементы, включая и транзисторы, оставались прежними.

Что такое напряжение, как понизить и повысить напряжение

Напряжение и сила тока — две основных величины в электричестве. Кроме них выделяют и ряд других величин: заряд, напряженность магнитного поля, напряженность электрического поля, магнитная индукция и другие. Практикующему электрику или электронщику в повседневной работе чаще всего приходится оперировать именно напряжением и током — Вольтами и Амперами. В этой статье мы расскажем именно о напряжении, о том, что это такое и как с ним работать.

Определение физической величины

Напряжение это разность потенциалов между двумя точками, характеризует выполненную работу электрического поля по переносу заряда из первой точки во вторую. Измеряется напряжение в Вольтах. Значит, напряжение может присутствовать только между двумя точками пространства. Следовательно, измерить напряжение в одной точке нельзя.

Потенциал обозначается буквой «Ф», а напряжение буквой «U». Если выразить через разность потенциалов, напряжение равно:

Если выразить через работу, тогда:

где A — работа, q — заряд.

Измерение напряжения

Напряжение измеряется с помощью вольтметра. Щупы вольтметра подключают на две точки напряжение, между которыми нас интересует, или на выводы детали, падение напряжения на которой мы хотим измерить. При этом любое подключение к схеме может влиять на её работу. Это значит, что при добавлении параллельно элементу какой-либо нагрузки ток в цепи изменить и напряжение на элементе измениться по закону Ома.

Вывод:

Вольтметр должен обладать максимально высоким входным сопротивлением, чтобы при его подключении итоговое сопротивление на измеряемом участке оставалось практически неизменным. Сопротивление вольтметра должно стремиться к бесконечности, и чем оно больше, тем большая достоверность показаний.

На точность измерений (класс точности) влияет целый ряд параметров. Для стрелочных приборов – это и точность градуировки измерительной шкалы, конструктивные особенности подвеса стрелки, качество и целостность электромагнитной катушки, состояние возвратных пружин, точность подбора шунта и прочее.

Для цифровых приборов — в основном точность подбора резисторов в измерительном делителе напряжения, разрядность АЦП (чем больше, тем точнее), качество измерительных щупов.

Для измерения постоянного напряжения с помощью цифрового прибора (например, мультиметра), как правило, не имеет значения правильность подключения щупов к измеряемой цепи. Если вы подключите положительный щуп к точке с более отрицательным потенциалом, чем у точки, к которой подключен отрицательный щуп — то на дисплее перед результатом измерения появится знак «–».

А вот если вы меряете стрелочным прибором нужно быть внимательным, При неправильном подсоединении щупов стрелка начнет отклоняться в сторону нуля, упрется в ограничитель. При измерении напряжений близких к пределу измерений или больше она может заклинить или погнуться, после чего о точности и дальнейшей работе этого прибора говорить не приходится.

Для большинства измерений в быту и в электронике на любительском уровне достаточно и вольтметра встроенного в мультиметры типа DT-830 и подобных.

Чем больше измеряемые значения — тем ниже требования к точности, ведь если вы измеряете доли вольта и у вас погрешность в 0.1В — это существенно исказит картину, а если вы измеряете сотни или тысяч вольт, то погрешность и в 5 вольт не сыграет существенной роли.

Что делать если напряжение не подходит для питания нагрузки

Для питания каждого конкретного устройства или аппарата нужно подать напряжение определенной величины, но случается, так что имеющийся у вас источник питания не подходит и выдает низкое или слишком высокое напряжение. Решается эта проблема разными способами, в зависимости от требуемой мощности, напряжения и силы тока.

Как понизить напряжение сопротивлением?

Сопротивление ограничивает ток и при его протекании падает напряжение на сопротивление (токоограничивающий резистор). Такой способ позволяет понизить напряжение для питания маломощных устройств с токами потребления в десятки, максимум сотни миллиампер.

Примером такого питания можно выделить включение светодиода в сеть постоянного тока 12 (например, бортовая сеть автомобиля до 14.7 Вольт). Тогда, если светодиод рассчитан на питание от 3.3 В, током в 20 мА, нужен резистор R:

R=(14.7-3.3)/0.02)= 570 Ом

Но резисторы отличаются по максимальной рассеиваемой мощности:

Ближайший по номиналу в большую сторону — резистор на 0.25 Вт.

Именно рассеиваемая мощность и накладывает ограничение на такой способ питания, обычно мощность резисторов не превышает 5-10 Вт. Получается, что если нужно погасить большое напряжение или запитать таким образом нагрузку мощнее, придется ставить несколько резисторов т.к. мощности одного не хватит и ее можно распределить между несколькими.

Способ снижения напряжения резистором работает и в цепях постоянного тока и в цепях переменного тока.

Недостаток — выходное напряжение ничем нестабилизировано и при увеличении и снижении тока оно изменяется пропорционально номиналу резистора.

Как понизить переменное напряжение дросселем или конденсатором?

Если речь вести только о переменном токе, то можно использовать реактивное сопротивление. Реактивное сопротивление есть только в цепях переменного тока, это связно с особенностями накопления энергии в конденсаторах и катушках индуктивности и законами коммутации.

Дроссель и конденсатор в переменном токе могут быть использованы в роли балластного сопротивления.

Реактивное сопротивление дросселя (и любого индуктивного элемента) зависит от частоты переменного тока (для бытовой электросети 50 Гц) и индуктивности, оно рассчитывается по формуле:

где ω – угловая частота в рад/с, L-индуктивность, 2пи – необходимо для перевода угловой частоты в обычную, f – частота напряжения в Гц.

Реактивное сопротивление конденсатора зависит от его емкости (чем меньше С, тем больше сопротивление) и частоты тока в цепи (чем больше частота, тем меньше сопротивление). Его можно рассчитать так:

Когда переменный ток проходит через проводник, вокруг проводника образуется магнитное поле. Если проводник намотан на катушку, то магнитное поле увеличивается. Если в цепи образуется значительное магнитное поле, то в этой цепи возникает противодействие потоку тока, что называется индуктивным реактивным сопротивлением.

Пример использования индуктивного сопротивления — это питание люминесцентных ламп освещения, ДРЛ ламп и ДНаТ. Дроссель ограничивает ток через лампу, в ЛЛ и ДНаТ лампах он используется в паре со стартером или импульсным зажигающем устройством (пусковое реле) для формирования всплеска высокого напряжения включающего лампу. Это связано с природой и принципом работы таких светильников.

А конденсатор используют для питания маломощных устройств, его устанавливают последовательно с питаемой цепью. Такой блок питания называется «бестрансфоматорный блок питания с балластным (гасящим) конденсатором».

Очень часто встречают в качестве ограничителя тока заряда аккумуляторов (например, свинцовых) в носимых фонарях и маломощных радиоприемниках. Недостатки такой схемы очевидны — нет контроля уровня заряда аккумулятора, их выкипание, недозаряд, нестабильность напряжения.

Как понизить и стабилизировать напряжение постоянного тока

Чтобы добиться стабильного выходного напряжения можно использовать параметрические и линейные стабилизаторы. Часто их делают на отечественных микросхемах типа КРЕН или зарубежных типа L78xx, L79xx.

Линейный преобразователь LM317 позволяет стабилизировать любое значение напряжения, он регулируемый до 37В, вы можете сделать простейший регулируемый блок питания на его основе.

Если нужно незначительно снизить напряжение и стабилизировать его описанные ИМС не подойдут. Чтобы они работали должна быть разница порядка 2В и более. Для этого созданы LDO(low dropout)-стабилизаторы. Их отличие заключается в том, что для стабилизации выходного напряжение нужно, чтобы входное его превышало на величину от 1В. Пример такого стабилизатора AMS1117, выпускается в версиях от 1.2 до 5В, чаще всего используют версии на 5 и 3.3В, например в платах Arduino и многом другом.

Конструкция всех вышеописанных линейных понижающих стабилизаторов последовательного типа имеет существенный недостаток – низкий КПД. Чем больше разница между входным и выходным напряжением – тем он ниже. Он просто «сжигает» лишнее напряжение, переводя его в тепло, а потери энергии равны:

Компания AMTECH выпускает ШИМ аналоги преобразователей типа L78xx, они работают по принципу широтно-импульсной модуляции и их КПД равен всегда более 90%.

Они просто включают и выключают напряжение с частотой до 300 кГц (пульсации минимальны). А действующее напряжение стабилизируется на нужном уровне. А схема включения аналогичная линейным аналогам.

Как повысить постоянное напряжение?

Для повышения напряжения производят импульсные преобразователи напряжения. Они могут быть включены и по схеме повышения (boost), и понижения (buck), и по повышающе-понижающей (buck-boost) схеме. Давайте рассмотрим несколько представителей:

1. Плата на базе микросхемы XL6009

2. Плата на базе LM2577, работает на повышение и понижение выходного напряжения.

3. Плата преобразователь на FP6291, подходит для сборки 5 V источника питания, например powerbank. С помощью корректировке номиналов резисторов может перестраиваться на другие напряжения, как и любые другие подобные преобразователь – нужно корректировать цепи обратной связи.

4. Плата на базе MT3608

Здесь всё подписано на плате – площадки для пайки входного – IN и выходного – OUT напряжения. Платы могут иметь регулировку выходного напряжения, а в некоторых случая и ограничения тока, что позволяет сделать простой и эффективный лабораторный блок питания. Большинство преобразователей, как линейных, так и импульсных имеют защиту от КЗ.

Как повысить переменное напряжение?

Для корректировки переменного напряжения используют два основных способа:

Автотрансформатор – это дроссель с одной обмоткой. Обмотка имеет отвод от определенного количества витков, так подключаясь между одним из концов обмотки и отводом, на концах обмотки вы получаете повышенное напряжение во столько раз, во сколько соотносится общее количество витков и количество витков до отвода.

Промышленностью выпускаются ЛАТРы – лабораторные автотрансформаторы, специальные электромеханические устройства для регулировки напряжения. Очень широко применение они нашли в разработке электронных устройств и ремонте источников питания. Регулировка достигается за счет скользящего щеточного контакта, к которому подключается питаемое устройство.

Недостатком таких устройств является отсутствие гальванической развязки. Это значит, что на выходных клеммах может запросто оказаться высокое напряжение, отсюда опасность поражения электрическим током.

Трансформатор – это классический способ изменения величины напряжения. Здесь есть гальваническая развязка от сети, что повышает безопасность таких установок. Величина напряжения на вторичной обмотке зависит от напряжений на первичной обмотки и коэффициента трансформации.

Отдельный вид – это импульсные трансформаторы. Они работают на высоких частотах в десятки и сотни кГц. Используются в подавляющем большинстве импульсных блоках питания, например:

Зарядное устройство вашего смартфона;

Блок питания ноутбука;

Блок питания компьютера.

За счет работы на большой частоте снижаются массогабаритные показатели, они в разы меньше чем у сетевых (50/60 Гц) трансформаторов, количество витков на обмотках и, как следствие, цена. Переход на импульсные блоки питания позволил уменьшить габариты и вес всей современной электроники, снизить её потребление за счет увеличения кпд (в импульсных схемах 70-98%).

В магазинах часто встречаются электронные траснформаторы, на их вход подаётся сетевое напряжение 220В, а на выходе например 12 В переменное высокочастотное, для использования в нагрузке которая питается от постоянного тока нужно дополнительно устанавливать на выход диодный мост из высокоскоростных диодов.

Внутри находится импульсный трансформатор, транзисторные ключи, драйвер, или автогенераторная схема, как изображена ниже.

Достоинства – простота схемы, гальваническая развязка и малые размеры.

Недостатки – большинство моделей, что встречаются в продаже, имеют обратную связь по току, это значит что без нагрузки с минимальной мощностью (указано в спецификациях конкретного прибора) он просто не включится. Отдельные экземпляры оборудованы уже ОС по напряжению и работают на холостом ходу без проблем.

Используются чаще всего для питания 12В галогенных ламп, например точечные светильники подвесного потолка.

Заключение

Мы рассмотрели базовые сведения о напряжении, его измерении, а также регулировки. Современная элементная база и ассортимент готовых блоков и преобразователей позволяет реализовывать любые источники питания с необходимыми выходными характеристиками. Подробнее о каждом из способов можно написать отдельную статью, в пределах этой я постарался уместить базовые сведения, необходимые для быстрого подбора удобного для вас решения.

Регуляторы напряжения на 220 В своими руками

Создав регулятор напряжения 220 В (в дальнейшем РН), пользователь получит возможность определять его величину, поступающую в электроприборы. Станет возможной настройка уровня нагрева, света, оборотов не слишком мощных моторов бытовых аппаратов простым поворотом селектора на такой самоделке. Сборка не слишком сложная, поэтому кустарное изготовление целесообразное. Мы выбрали и рассмотрели самые понятные схемы с обозначением характеристик деталей для конструирования РН 0–220 В своими руками.

Что такое регулятор напряжения 220 В

Сокращенное название рассматриваемого прибора — РН 0–220 В. Самый простой такой аппарат — это диммер для ламп накаливания. Устройство настраивает сетевые параметры напряжения, повышает/понижает степень выходного сигнала на диапазоне, зависимом от значения разности потенциалов на его выходе. Поддерживает заданный вольтаж цепи потребителя.

Аппарат регулирует (плавно или ступенчато) именно саму величину напряжения, вольтаж, от которого также зависит мощность в диапазоне возможностей подключенного агрегата. Работает с нагрузкой реактивной, активной, только надо уточнять, подходит ли конкретная сборка, особенно для последней. А также всегда надо сопоставлять, на какую обслуживаемую мощность (Ватты) рассчитана схема.

РН изменяет согласно настройкам пользователя уровень выходного сигнала из сети 220 В, подаваемый на подключенную к нему нагрузку. Таким образом, устанавливается параметр, подходящий для запитывания конкретного прибора, а чаще для регулировки его работы (снижение/повышение оборотов маломощных электромоторов, яркости света).

Важно: РН-220 В понижает/повышает только значение напряжения (В), выходящего из сети 220 В — ток (Амперы), мощность (Вт, кВт) он не регулирует, эти величины изменяются уже самой полезной нагрузкой, ограниченной рамками своих характеристик, согласно поданным вольтам. Прибор иногда называют «регулятором мощности», так как изменяются также возможности подключенного потребителя по указанным параметрам. Но РН надо отличать от такового, как и от регулятора тока.

Регулятор напряжения применяют:

• для изменения оборотов небольших моторчиков бытовых устройств (скорости блендера, фена), реже, поскольку не все схемы подходят, — для более мощных двигателей (например, дрели);
• для других приборов, работу которых можно настраивать. А чаще (и это наиболее корректное и эффективное использование) для уровня освещенности (диммер), громкости звука, нагрева ТЭНов, паяльника,
• во всех случаях, если на цепи надо создать определенное напряжение, например, 12 В.

Чаще всего бытовой РН 0–220 В применяется для плавного вкл./выкл. приборов.

В заводских моделях обычно также есть микросхема для стабилизации напряжения при его скачках, обеспечивающая работу приборов в любом режиме. Тиристорный регулятор по англоязычным стандартам именуют Voltage Controller. РН снабжают универсальные блоки питания, на которых можно настраивать вольтаж.

Виды, принцип работы, особенности

РН по нашей теме предназначен только для переменного напряжения, то есть для обычной домашней сети 220 В.

Чаще всего собирают на базе таких деталей:

• тиристоры;
• симисторы;
• транзисторы.

В схемах присутствуют также конденсаторы, резисторы постоянные, настроечные. Именно селекторами последних осуществляется регулировка. Сложные сборки могут включать микросхемы.

РН максимально результативные для резистивных (активных, омических) нагрузок, то есть являющихся частью потребляемой мощности подсоединяемого/отключаемого потребителя. Это сопротивление движению тока, например, в виде резистора, на точке, где электричество преобразовывается в тепло.

Резистивная нагрузка — это нагревательные элементы, ТЭНы, лампы накаливания (не «экономки»).

В индуктивной нагрузке ток (там он значительно ниже, чем при резистивной) отстает от напряжения, создается реактивная мощность. Это асинхронные электродвигатели, электромагниты, дроссели, трансформаторы, выпрямители. С ними РН не будут работать или будут, но не эффективно, создавая риск поломки оборудования. Там регуляторы напряжения не всегда целесообразные.

Тиристорный прибор нельзя использовать со светодиодными (экономными) и люминисцентными лампами. Конденсаторные регуляторы не позволяют плавно менять напряжение.

Сборка регулятора напряжения на симисторах

В основе работы симисторного РН — фазовое смещение открывания ключа. Детали схемы можно разделить на две группы:

• силовые (ключ) — симистор;
• создающие управляющие импульсы, база на симметричном динисторе.

С помощью резисторов R1 и 2 сконструирован делитель напряжения. Сопротивление на первом переменное, что дает возможность регулировать значение на отрезке R2–C1. Между указанными деталями поставлен динистор DB3. Конструкция работает с мощностью около 100–150 Вт.

1. В момент достижения напряжения на конденсаторе C1 точки открытия динистора, на симистор (он же является силовым ключом) VS1 поступает импульс для управления — он активируется.
2. Через симистор начинает протекать ток на подключенный прибор.
3. Положением регулятора выставляют часть фазы волны, где срабатывает силовой ключ.

Второй вариант

Данный способ сборки на симисторе своими руками почти аналогичен предыдущему. Схема базируется на дешевом симисторе BT136. Сборка предназначена для работы в пределах 100 Вт.

Как работает: через цепь DN1 (динист.) — C1 (конд.) — D1 (диод) ток течет на DN2 (симист.). Последний открывается и момент этого зависит от емкости C1, заряжаемого через R1 и 2 (резисторы). Получается требуемый алгоритм: модуляцией сопротивления R1 настраивается скорость заряда конденсатора.

Конструкция чрезвычайно простая, но отлично справляется с настройкой вольтажа нагревательных приборов с вольфрамовой нитью. Но есть минус: отсутствует обратная связь, поэтому применять самоделку для регулировки оборотов коллекторного электродвигателя нельзя.

Третий вариант РН на симисторе с иллюстрацией этапов, фото деталей

Нижеуказанная схема может обслужить нагрузку до 1 кВт. Потребуется конденсатор 0.1 мкФ×400 В и следующее:

Графически схема выглядит так:

Детали можно спаять между собой, но рассмотрим вариант с платой — ее вытравливают и лудят стандартными методами, макет ниже:

Припаиваем симистор, переменный резистор. Конденсатор в нашем случае на плате со стороны лужения, так как у пользователя он был со слишком короткими ножками.

Далее, динистор: у него нет полярности, вставляем как угодно. Затем установка всего остального: диода, резистора, светодиода, перемычки, винтового клеммника.

Конструкция помещается в любую коробочку, пример:

Самоделка в дополнительных настройках не нуждается. Можно применять не только для сети 220 В на стандартные приборы, но и для любого источника с переменным током от 20 до 500 В. Данный диапазон определен предельными характеристиками радиоэлементов.

На транзисторах

Сборки на транзисторах больше подходят для индуктивной нагрузки, ими можно регулировать обороты электродвигателей.

Простая схема

Данная сборка очень практичная — этот регулятор напряжения представляет собой простой блок питания, универсальный адаптер к радиоустройствам на разные напряжения (вольтаж). Собрать сможет даже пользователь с начальными познаниями и небольшим опытом.

• транзистор КТ815Г, можно и 817 Г;
• переменник на 10 кОм;
• резистор стандартный 0.125 Вт на 1 кОм

Спаять элементы можно без площадки, но покажем, как это сделано с ней. Создаем плату:

1. Транзистор, важно не перепутать его выводы (эмиттер и базу).
2. Резистор на 1 кОм.
3. Впаиваем с проводами переменник на 10 кОм. Можно применить и другой, припаять сразу, без них, если позволяет типоразмер.
4. Четыре вывода — к питанию, к выходам.

Подсоединяем к питанию, выход оснащаем светодиодом, подключаем нагрузку (лампу), моторчик, тот же светодиод (в нашем примере он). Двигаем регулятор — наблюдаем изменение напряжения.

Особенность: диапазон обслуживаемой мощность и ток нагрузки ограничены предельными характеристиками транзистора — примерно половина 1 Ампера. Для увеличения диапазона такого регулируемого стабилизатора надо брать транзисторы КТ805, 819.

Другие варианты маломощных транзисторных схем

С 2 деталями: транзистором и переменником. Алгоритм элементарный: последний указанный элемент индуцирует (отпирает) первый. Чем ниже номинал настроечного резистора, тем более плавная регулировка. Это вариант для маломощной нагрузки, например, для вентиляторов, слабых электромоторчиков, светодиодов. Транзистор нагревается сильно, поэтому радиатор желательный.

Мощная сборка

Опишем особо мощный регулятор для нагрузки в несколько кВт. Тут ток на нагрузку идет также через симистор, но управляется все через каскад транзисторов. Переменником настраивается ток, поступающий в базу первого транз. (маломощного), а тот посредством коллекторно-эмиторного перехода осуществляет управление базой уже мощного транз., который реализует открывание/закрывание симистора. Так создается возможность очень плавной настройки огромных токов на нагрузке.

Схема самодельного РН 220 В с тиристорами

Тиристорные сборки также эффективные, одновременно они не отличаются особой сложностью. Силовым ключом тут выступает тиристор. Главное отличие от самоделок на симисторах — каждая полуволна имеет свой индивидуальный ключ, снабженный динистором для управления.

Для схемы взяли отечественные детали. При установке тиристора VS1, диодов VD1–VD4 на радиаторы (охладители), то устройство сможет работать с нагрузкой в 10 А: при 220 В можно будет обслуживать 2.3 кВт.

В сборке лишь 2 силовых элемента: диодный мост, тиристор. Детали рассчитаны на 400 В, ток 10 А. мост трансформирует переменное напряжение в однополярное пульсирующее, фазовую настройку полупериодов обеспечивает тиристор.

R1 и 2, стабилитрон VD5 — это параметрический стабилизатор, ограничивающий напряжение, подаваемое в узел управления на отметке 15 В. Последовательное размещение резисторов требуется для повышения пробивного напряжения и рассеиваемой мощности.

C1 без заряда, в месте соединения R6 и 7 тоже нулевое напряжение, но постепенно оно там растет. Чем ниже сопротивление на резисторе R4, тем быстрее через эммитер VT1 перегонится напряжение на его базе, транзистор откроется. VT1 и 2 (транзисторы) — это состав маломощного тиристора. При достижении значения на переходе база/эмиттер VT1 пороговой отметки транзистор открывается и отпирает VT2, а тот в свою очередь — тиристор.

Второй вариант

Описанным ниже регулятором настраивают скорость вращения электродвигателей, нагрев паяльника и подобное. Такой прибор отчасти верно назвать регулятором мощности, но правильно будет также именовать его и РН, так как, по сути происходит регулировка фазы — времени, за которое сетевая полуволна попадает в нагрузку. С одной стороны настраивается напряжение через скважность импульса, с иной — мощность появляющаяся на нагрузке.

Наиболее результативный прибор для резистивной нагрузки — лампочек, нагревателей. С индуктивной будет справляться, но не так эффективно, при слишком малой величине точность диапазона настройки снизится. Существуют две почти идентичные схемы по описываемому варианту:

Схема регулятора состоит из доступных деталей, ее можно полностью собрать из таковых даже советского периода. При включении (как на изображении) выпрямительных диодов прибор выдержит до 5 А, что соответствует 800 Вт…1 кВт. Но надо поставить радиаторы для охлаждения.

• тирист. КУ202Н;
• Т1–Т2 (КТ315 и КТ361) — это аналог 1-переходного транзистора.

1. Когда напряжение на конд. С1 (470 nF) сравнивается таковому в точке соединения резист. R3 и 4 (10 кОм и 2.2 кОм), тогда транзисторы открываются.
2. От них подается импульс управляющему электроду тиристора.
3. При этом C1 тратит свой заряд, тиристор открывается до следующего полупериода.

Мощность можно повысить, если заменить диоды, рассчитанные на больший необходимый ток. Также можно вместо тиристора КУ202 с пределом в 10 А поставить помощнее: Т122, Т132, Т142.

Деталей не много, допустим навесной монтаж, но с платой сборка будет красивее и комфортнее. Стабилитрон Д814В можно поменять на любой с 12–15 В. Из коробочки выведен разъем для вилки.

Модификация, особенности, демонстрация работы

Схема также может поместиться в корпусе наружной розетки, в маленькой пластиковой распаячной коробке. Мощность самоделки ограничена диодным мостом (1000 В, 4 А), тиристором. Напомним, в нашем примере предел чуть больше 800 Вт, максимум — 1000 Вт. Для бытовых условий этого более чем достаточно.

Радиаторы на тиристоры и диоды крайне рекомендованы — в данном случае они не просто желательные, а жизненно необходимые, так как перегрев может быть значительным. Минимальная мощность резистора R1 — 2 Вт

Другие популярные схемы

Приведем простые, доступные проверенные схемы. Опишем их кратко, так как на самом изображении есть расшифровка элементов.

Для паяльника

Чрезвычайно простые схемы для плавной регулировки нагрева паяльника применяют для предотвращения перегрев жала.

Первая схема включает мощный симистор, управляющий линией тиристор-переменник.

Другой простейший вариант для паяльника: нагрузка управляется одним тиристором, степень включения его определяется регулировкой переменного резистора, диод поставлен для защиты от обратного напряжения.

На микросхеме

Применена микросхема фазового регулирования 1182ПМ1. Этот контроллер управляет уровнем открытия симистора, который контролирует нагрузку. Хорошо подойдет для настройки яркости лампочек накаливания.

Для лампочек накаливания с тиристором

Данная сборка регулирует накал обычных лампочек. Регулятор напряжения 220 В на тиристоре своими руками конструируется из диодного моста, конденсатора, двух резисторов — постоянного и переменника. Селектором последнего меняется влияние на ключ этого тиристора, что модулирует его пропускную способность по току.

Советы

Фазные регуляторы создают значительные помехи в сети, поэтому на кабель питания ставят сглаживающие фильтры. Самыми элементарными такими приспособлениями являются ферритовые кольца (часто их имеют шнуры компьютерные, от мониторов). Есть разборные блочки с ними, устанавливаемые защелкиванием, но также можно такие кольца взять от трансформаторов от б/у плат с микросхемами.

Все элементы обязательно изолируют, учитывают, что на них подается 220 В и значительный ток.

Предостережения по индуктивной нагрузке

При высокоиндуктивной нагрузке, для которой характерно отставание тока напряжения, тиристоры могут не закрываться до конца, есть риск поломки обслуживаемых приборов — дрелей, шлифмашинок, болгарок. Поэтому надо уточнять на спецфорумах параметры сборки для такого оснащения, для него есть именно специализированные устройства — регуляторы оборотов.

Тиристорный РН хорошо функционирует в коллекторных двигателях со щеточными узлами, в асинхронных устройствах изменять обороты не сможет.

Ограничение напряжения на ключевом транзисторе в однотактных преобразователях напряжения

Из наиболее известных широко применяются два типа однотактных преобразователей напряжения: с «обратным» включением выпрямительного диода (ОПО) и с «прямым» включением диода (ОПП).

Силовой трансформатор TV выполняет функцию накопителя энергии тока, отбираемого от источника U_п (рис. 1). При открытом транзисторе VT импульс тока длительностью t_п = γ* Т_п накапливает энергию в индуктивности L₁ первичной обмотки w1 силового трансформатора TV. Выпрямительный диод VD при этом закрыт. Ток через транзистор нарастает линейно по закону, определяемому значением индуктивности L₁, а напряжение в нагрузке U_н на этом этапе поддерживается конденсатором C_Ф выходного фильтра. После того как транзистор VT закрывается, полярность напряжения на обмотке w₂ изменяется, а ранее накопленная в индуктивности L₁ энергия поступает через диод VD в нагрузку и заряжает конденсатор C_Ф. При этом напряжение на закрытом транзисторе VT определяется выражением

Рис. 1. Однотактный преобразователь напряжения с «обратным» включением диода

В открытом состоянии транзистора VT энергия от источника питания U_п через силовой трансформатор TV и выпрямительный диод VD₂ поступает в нагрузку, накапливается в элементах фильтра, а также в магнитном поле сердечника силового трансформатора TV (рис. 2). После закрытия транзистора VT открывается диод VD₃, шунтирующий вход фильтра, а накопленная в дросселе L_Ф энергия отдается в нагрузку. Диод VD₂ при этом закрывается, а энергия, запасенная силовым трансформатором, рекуперируется в источник питания U_п через обмотку w_р (в случае ее применения) и диод VD1. В этой схеме силовой трансформатор работает на несимметричном частном цикле без накопления магнитного потока в сердечнике. Иными словами, после закрытия транзистора VT наступает этап рекуперации, на котором происходит уменьшение магнитного потока до исходного состояния, характеризуемого остаточной индукцией B_r. Этот процесс должен быть завершен к моменту очередного открытия транзистора VT. Напряжение на закрытом транзисторе VT, в схеме с размагничивающей обмоткой, определяется коэффициентом транС_Формации TV по цепи размагничивающей обмотки:

Рис. 2. Однотактный преобразователь напряжения с «прямым» включением диода и размагничивающей обмоткой

Обе эти схемы преобразователей напряжения могут работать в двух режимах: в режиме прерывистых токов (ПТ) и в режиме непрерывных токов (НТ). Если за время интервала t_п ток индуктивностей L₁ (для первой схемы) и L_Ф (для второй схемы) спадает до нуля, то в схеме имеет место режим ПТ. Тогда открытие транзистора VT происходит при нулевом значении тока. В противном случае имеет место режим НТ.

Коммутационный импульс напряжения

Из-за наличия индуктивности рассеивания L_S силового трансформатора TV при закрытии транзистора VT на его стоке возможно появление коммутационного импульса напряжения. Так как до закрытия силового транзистора VT через него протекал ток I_cm, то энергия, накопленная в индуктивности рассеивания L_S:

Закрытие транзистора VT сопровождается увеличением напряжения Uси. Так как спад тока транзистора происходит за пренебрежимо малое время, то увеличение напряжения вследствие наличия индуктивности L_S и емкости сток-исток C_си транзистора подчиняется синусоидальному закону (рис. 3). Амплитуда колебаний:

где Т_к=2π√L_S×C_си — период собственных колебаний резонансного контура L_SC_си (принято C_си = const.);

β = R_k/2×L_S — коэффициент затухания колебательного контура;

R_k — активное последовательное сопротивление колебательного контура.

Рис. 3. Диаграмма колебаний напряжения на стоке транзистора при его выключении

Анализ выражений (3) и (4) показывает, что для уменьшения энергии, запасенной в L_S, и, следовательно, мощности, рассеиваемой демпфирующей цепью, целесообразно преимущественное уменьшение тока I_cm. В режиме непрерывных токов ток I_cm всегда меньше, чем в режиме прерывистых токов, что определяет преимущество первого с точки зрения уменьшения энергии W_S. Увеличение индуктивности дросселя фильтра L_Ф ведет к уменьшению тока I_cm и энергии W_S. Однако в ОПО увеличение L2 приводит к увеличению L_S, вследствие чего может возрасти и энергия W_S.

Амплитуда импульса U_с.имп может быть уменьшена увеличением емкости транзистора C_си или увеличением активного сопротивления контура RК. Увеличение сопротивления контура серьезно ухудшает энергетические характеристики преобразователей напряжения.

Величина индуктивности L_S зависит от качества исполнения, проектирования и конструктивных параметров силового трансформатора.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПО

Основным способом ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме является применение демпфирующих RCD-цепей. При этом они работают только на ограничение коммутационного выброса напряжения (рис. 4).

Рис. 4. Основные схемы RCD-цепей

На рис. 4, а показана простейшая демпфирующая цепь, состоящая из резистора и конденсатора. Для расчета параметров этой RC-цепи необходимо предварительно определить частоту колебаний резонансного контура L_SC_си, обусловленных паразитными параметрами цепи:

Значение емкости конденсатора RC-цепи

Значение сопротивления резистора

Мощность, рассеиваемая этим резистором ,

Другая простейшая цепь показана на рис. 4, б, в ней использован стабилитрон VD с напряжением стабилизации U_ст, до уровня которого и ограничивается амплитуда импульса напряжения стока транзистора. Стабилитрон должен быть рассчитан на протекание импульсного тока I_cm. Мощность, рассеиваемая стабилитроном:

Стабилитрон может подключаться также параллельно первичной обмотке силового трансформатора (так называемая ZD-цепь). В этом случае напряжение стабилизации стабилитрона должно удовлетворять условию:

Широко применяется RCD-цепь, показанная на рис. 4, в. В момент закрытия транзистора VT реактивная энергия, запасенная в индуктивности L_S, передается через диод VD в конденсатор C. Во время открытого состояния транзистора VT диод VD закрыт, а конденсатор C разряжается в резистор R. Исходя из условий равенства энергии индуктивности и конденсатора, емкость конденсатора:

где ΔU_кон — изменение напряжения на конденсаторе.

Среднее напряжение на конденсаторе равно:

Сопротивление разрядного резистора:

RCD-цепь, показанная на рис. 4, в, дороже ZD-цепи, но более эффективна. Демпфирующая цепь на рис. 4, г по своему действию аналогична цепи на рис. 4, в. Отличие от предыдущей схемы состоит в том, что конденсатор C разряжается через резистор R в источник питания. Среднее напряжение на конденсаторе в этом случае:

Отсюда видно, что для данной схемы необходим более высоковольтный конденсатор, что может вызвать определенные затруднения при ее реализации, особенно при высоком входном напряжении.

Ограничение напряжения на транзисторе в ОПП

Основными способами ограничения напряжения на транзисторе в этой схеме являются:

• размагничивающая обмотка;
• демпфирующие RCD-цепи;
• активное ограничение.

Схема однотактного преобразователя напряжения с размагничивающей обмоткой приведена на рис. 2. Размагничивающая обмотка может и отсутствовать, однако в этом случае сужается диапазон возможного изменения рабочей индукции ΔВ магнитного материала сердечника силового трансформатора, что приводит к значительному увеличению его массы и габаритов. Изменяя соотношение витков между первичной и размагничивающей обмотками, можно значительно ограничить напряжение на ключевом транзисторе. Недостатком такого способа является то, что при значительном увеличении числа витков размагничивающей обмотки относительно первичной увеличивается напряжение, вырабатываемое между этими обмотками, что требует усиления изоляции между ними. Диод, включенный последовательно с размагничивающей обмоткой, испытывает такое же напряжение и, следовательно, должен иметь соответствующий номинал. К тому же это вызовет появление существенной паразитной индуктивности и собственной емкости между первичной и размагничивающей обмотками. Это приводит к увеличению налагаемых на импульсы тока и напряжения высокочастотных колебаний, а эти колебания трудноустранимы. Поэтому на практике для уменьшения индуктивности рассеяния и, следовательно, снижения амплитуды коммутационного импульса напряжения на стоке ключевого транзистора при его закрывании, первичная и размагничивающая обмотки выполняются с одинаковым количеством витков. Поэтому напряжение на транзисторе в закрытом состоянии Uси = 2U_п и максимальный коэффициент заполнения γmax = 0,5.

Самой применяемой в ОПП является RCD-цепь, представленная на рис. 4, в. Эта цепь работает в данной схеме не только на ограничение коммутационного выброса напряжения, но и на ограничение так называемого «колокола», обусловленного процессом размагничивания сердечника силового трансформатора. Емкость конденсатора в данном случае:

где I_μ — ток намагничивания первичной обмотки силового трансформатора.

Напряжение на конденсаторе при непрерывном токе намагничивания первичной обмотки:

Сопротивление разрядного резистора:

где U_max — максимальное входное напряжение;

γ_min — минимальный коэффициент заполнения.

RCD-цепь ограничивает напряжение на транзисторе, величина которого в основном определяется коэффициентом заполнения. При применении RCD-цепи в ОПП размагничивающую обмотку можно исключить, что значительно упрощает конструкцию силового трансформатора.

Схема активного ограничения напряжения на ключевом транзисторе в ОПП представлена на рис. 5. На рис. 6 представлены диаграммы, поясняющие работу схемы при непрерывных изменениях магнитных потоков в сердечниках дросселя L_Ф и силового трансформатора TV. Транзистор VT1 выполняет функцию основного ключа, транзистор VT2 — вспомогательного. Они управляются противофазно: когда транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 закрыт, и наоборот. В открытом состоянии транзистора VT1 (интервал времени γt_п) энергия от источника входного напряжения U_п через силовой трансформатор по обмотке w2 и через открытый диод VD1 передается в нагрузку и накапливается в индуктивностях дросселя L_Ф и силового трансформатора L₁. После закрывания транзистора VT1 и открывания VT2 диод VD1 закрывается, и энергия, запасенная в дросселе L_Ф, через диод VD₂ отдается в нагрузку. При этом через конденсатор Cог протекает ток, равный разности мгновенных значений тока намагничивания силового трансформатора и тока дросселя, приведенного к первичной обмотке w₁. То есть ток конденсатора Cог представляет собой разность пульсаций тока намагничивания силового трансформатора и пульсаций тока дросселя фильтра, приведенных к первичной обмотке w1. Этот ток в первую половину интервала времени (1–γ) x t_п замыкается через внутренний диод транзистора VT2, а вторую половину — через сам транзистор VT2 в противоположном направлении, тем самым намагничивая сердечник. При этом энергия, запасенная в конденсаторе C_or, не передается в нагрузку.

Рис. 5. Схема однотактного преобразователя напряжения с прямым включением диода и активным ограничением напряжения

Рис. 6. Формы напряжений и токов в преобразователе напряжения с активным ограничением