что такое регулятор тока
Регулятор тока.
Основной функцией регулятора тока является регулировка мощности нагрузки, при подключении к постоянному току напряжением от 10 до 75V и потреблении максимального тока не более 150А. Объектом подключения регулятора тока может быть прожектор, подключенный от автомобильной бортовой сети, электродвигатель постоянного тока или прочие.
Регулятор мощности постоянного тока.
В основе работы регулятора тока лежит принцип широтно-импульсной модуляции. Его основным элементом является мультивибратор с регулировкой скважности импульсов, буферного и выходного каскадов.
Сам мультивибратор выполнен на элементах D1.1 и D1.2. Он имеет регулируемую скважность импульсов на выходе. Частота импульсов мультивибратора приблизительно равна 100 Гц. Скважность импульсов регулируется в достаточно широком диапазоне. Так, в среднем положении переменного резистора R1 на выходе из него получите симметричные прямоугольные импульсы. Такое положение переменного резистора позволяет получать мощность отдаваемую в нагрузку на среднем уровне. Это объясняется тем, что полевой транзистор VT1 в течение контрольного участка времени будет одинаковое количество времени открыт и закрыт. Вращение ручки переменного резистора по сторонам приводит к изменению соотношения продолжительности открытого и закрытого состояния транзистора. Таким образом, это приводит к тому, что чем дольше открытое состояние, тем больше мощность в нагрузке и наоборот, более длительное закрытое состояние приводит к тому, что мощность, которая отдается в нагрузку уменьшается.
Мощный полевой транзистор IRFP260N служит для коммутации нагрузки. При этом он имеет относительно большую емкость затвора. Сопротивление затвора этого полевого транзистора практически бесконечно, поскольку он имеет большую емкость. Резкие изменения напряжения заметно проявляются на затворе, так как ток зарядки и разрядки затвора достаточно существенен. В случаях если в определенных устройствах процесс включение / выключение нагрузки происходит достаточно редко, то в цепь затвора можно подключить токоограничительный резистор. В то же время его не можно устанавливать импульсных схемах. В импульсных схемах увеличивается мощность выхода мультивибратора с помощью создания буферного каскада из четырех инверторов микросхемы К561ЛН2 (D1.3-D1.6).
Питание микросхемы происходит от параметрического стабилизатора VD3-R3-R4. Если предполагается работать с напряжением не более 20-25V можно КС512 заменить менее мощным стабилитроном, например, Д814Д, а вместе резисторов R3 и R4 установить один резистор имеющий сопротивление 1-2 кОм и мощность 0,125W.
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:
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:
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:
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.
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.
Спаять элементы можно без площадки, но покажем, как это сделано с ней. Создаем плату:
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.
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.
Видео по теме
Как регулировать мощность переменного тока
Решил как-то отец собрать для дачи некое устройство, в котором, по его заверению, можно будет варить сыр. Устройство сие вид имело могучий и представляло из себя железный короб, подозрительно напоминающий старую стиральную машинку. Внутрь короба (все также добротно!) были вмонтированы три тэна по 1700 Ватт каждый. В общем сыра должно было хватить на небольшой посёлок.
Изделие (внешне выглядящее как что-то из безумного макса), должно быть весьма технологичным и поддерживать заданную температуру в максимально узких пределах. Для этого рядом появилась ещё одна коробка с симисторами, к которым подключались ТЭНы и схема, выдающая высокий уровень при переходе синусоиды через ноль. А у меня появился интересный проект.
Итак нам нужно выходить на заданную температуру и поддерживать её, с этим должен справляться алгоритм ПИД регулятора. Глубоко вдаваться в его работу не буду, скажу лишь что он получает на вход текущую ошибку, а на выходе выдает какое-то число в заданных пределах. У меня таким числом будет мощность выдаваемая на ТЭН, хотя в принципе, это может быть любой инерционный процесс, например обороты двигателя. Что важно для ПИД регулятора, это чтобы выходная величина производила воздействие линейно. Поэтому попробуем разобраться в способах регулировки мощности и их линейности.
Как вообще регулируется мощность?
Так как при постоянном сопротивлении и напряжении ток тоже будет постоянным, то заменим ось тока на ось времени. Сопротивление я беру постоянным для объяснения принципа регулирования.
Тогда при заданном напряжении (12 В) и сопротивлении в 12 Ом, по закону Ома: I=U/R, получаем ток равный 1 А, и соответственно мощность за единицу времени будет равна 12 Вт. При другом сопротивлении мощность, естественно тоже изменится.
Теперь, если мы хотим регулировать мощность за единицу времени, нам нужно как-то изменять площадь фигуры за единицу времени. Самым чистым способом будет просто изменять напряжение, тогда и мощность будет пропорционально изменяться. Но контроллер, как и любые цифровые устройства, не умеет плавно изменять напряжение на ножках, он может либо «поднимать» их до высокого уровня, либо «опускать» до низкого уровня. Этот недостаток он компенсирует скоростью, даже самый дохленький современный МК может работать на частотах в миллионы тактов в секунду. Чтобы регулировать мощность, контроллер будет очень быстро «дрыгать» ножкой, тем самым изменяя результирующая площадь импульса за единицу времени.
На этом принципе устроена широтно-импульсная модуляция, она же ШИМ. Изменяя время (ширину) импульса за период мы изменяем выдаваемую мощность. На рисунке выше, показано два периода ШИМа. Каждый период имеет отношение площади импульса к площади всего периода 0.5, те половину времени периода контроллер выдает высокий уровень сигнала, другую половину низкий. Отношение времени высокого уровня сигнала к времени низкого называется скважностью. Красная линия на графике отражает результирующую мощность за единицу времени, по ней видно что при скважности 0.5 мощность также упала на половину (с 12 до 6 Вт). Хорошая новость состоит в том, что, ШИМ в контроллерах реализован аппаратно. Так что для регулирования чего-то достаточно его запустить и, по необходимости, изменять скважность.
Для постоянного тока, режим ШИМа оптимален, причем чем более инерционный прибор мы к нему подключаем, тем меньшую частоту ШИМа можно использовать. Для большого ТЭНа достаточно чуть ли не одного герца, а вот для светодиодов лучше использовать частоту побольше. Кстати частота ШИМа в подсветке экрана ноутбука, зачастую оказывается чуть ли не решающим фактором при покупке, так как, при слишком низкой частоте, глаза будут быстро уставать.
Если попробовать провернуть трюк с ШИМом для переменного напряжения, мы увидим что все сломалось и мощность перестала регулироваться линейно
одинаковые промежутки времени стали давать нам разную площадь, а значит разную мощность. Однако, если разбить полученные отрезки на на ещё более мелкие, то процентное соотношение ширины импульса к ширине кусочка будет выравниваться.
Если мы возьмем равный процент выдаваемой мощности от каждого кусочка, в результате мы получим такой же процент, от мощности всей волны, а на выходе мы получим линейный регулятор мощности для переменного тока. Причем чем большую частоту будет иметь ШИМа, тем на большее количество кусочков он разобьет синусоиду, а значит мы получим большую линейность.
В случае с симисторами лучше разбить синусоиду на куски с одинаковыми площадями и записать время каждого такого кусочка в таблицу. Тогда каждое последующее значение из таблицы будет линейно увеличивать мощность.
На графике выше полуволна синусоиды разбита на части разные по времени, но имеющие одинаковую площадь, а значит несущие в себе одинаковую мощность. Все что нам останется сделать это загрузить таблицу с временными интервалам в наш котроллер, синхронизировать какой-то из его таймеров с частотой синусоиды, для этого используется схема перехода через ноль, и просто брать из таблички нужное значение, в течении которого будет высокий уровень. Суть метода похожа на ШИМ, но немного доработанный и синхронизированный с источником переменного напряжения.
Расчёт таблицы мощности
Теперь можно перейти непосредственно к расчёту.
Неопределённый интеграл от квадрата синуса
Теперь нужно подобрать пределы для определенных интегралов. Выберем, насколько частей мы хотим разбить нашу синусоиду: я выбрал сто, чтобы можно было регулировать мощность с шагом в 1%.
Итак мы нашли чему будет равен неопределённый интеграл и даже выбрали шаг. Теперь нужно подобрать пределы интегрирования. Смысл их подбора заключается в том, чтобы значение определенного интеграла было постоянным при их смене. Напомню, что неопределенный интеграл это формула, а определённый вполне конкретное число. Определённый интеграл считается по формуле:
То есть мы берем неопределённый интеграл, подставляем в него верхнее число, затем нижнее, и вычитаем второе из первого.
Наш неопределённый интеграл является смешанной тригонометрической функцией, а значит не имеет общего аналитического решения. Чаще всего такие функции решаются либо числовыми, либо графическими методами. Графический метода заключается в том что мы строим графики для правой и левой части уравнения их пересечение будет решением уравнения. На рисунке показано решение уравнения для 0.2
Наряду с графическим методом можно использовать численный, то есть подбор решения. Будем подставлять в неопределённый интеграл числа до тех пор пока не найдём решение). Можно использовать лист и бумажку чтобы попрактиковаться в математике, можно онлайн калькулятор, я же буду использовать Python и библиотеки numpy:
Отлично мы получили массив чисел (пределов интегрирования!), валидность этих чисел можно проверить подставив их в интеграл. В результате должна получится площадь равная выбранному шагу! Теперь, если подставить полученные числа на график мощности, должна получится следующая картина:
Если все сошлось, то можно двигаться дальше и задать получившимся числам размерность времени, потому что сейчас они в радианах. Чтобы это сделать нужно выяснить угловую скорость, для частоты сети, то есть количество радиан в секунду.
Тогда узнаем сколько сколько длится одна радиана
Для расчётов я опять предпочту python:
На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.
Расчёт таймера МК и перевод таблицы
Для определения минимально допустимой частоты таймера, надо найти числа в массиве с минимальной разностью между ними. Разность тем меньше, чем ближе в максимуму синусоиды мы двигаемся. Тогда возьмем задержку при которой синусоида достигает единицы и число перед ним, после чего найдем их разность:
Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту
Значит для заданной точности в 1% будет достаточно таймера с частотой 15КГц. Частота МК составляет 16 МГц, значит между прерываниями будет 1000 тактов процессора, этого достаточно для выполнения остальной части программы, так что можно смело настраивать таймер на заданную частоту.
Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота
Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python
В общем-то на этом весь расчёт окончен, остается только отзеркалить получившийся массив для второй половины полуволны и загрузить в МК. Далее по прерыванию от синхроимпульса, нужно подать низкий уровень, на ножку управления симистором, запустить таймер и считать его переполнения (совпадения, тк. у нас режим CTC). Как только количество переполнений достигнет нужного числа из таблички, подаем высокий уровень на управляющую ножку. На этом линейный регулятор мощности переменного напряжения готов!
Заключение
Надеюсь статья была понятна и её было интересно читать. В дополнение хотелось бы сказать, сигнал перехода через ноль не приходит идеально вовремя, поэтому может потребоваться дополнительная коррекция, чтобы это исправить.
Код расчетов на python
Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.