Универсальный регулятор мощности своими руками

Универсальный регулятор мощности своими руками

Из-за проблемы с электричеством люди все чаще покупают регуляторы мощности. Не секрет, что резкие перепады, а также чрезмерно пониженное или повышенное напряжение пагубно влияют на бытовые приборы. Для того чтобы не допустить порчи имущества, необходимо пользоваться регулятором напряжения, который защитит от короткого замыкания и различных негативных факторов электронные приборы.

↑ Схема регулятора мощности на полевых транзисторах

Впрочем, как бы там ни было, я решил собрать регулятор на полевых транзисторах (далее ПТ) с ШИ-управлением. В отличие от схем на ПТ с фазоимпульсным управлением, где существует привязка схемы к частоте сетевого напряжения, при ШИ-управлении схемой управления генерируются собственная последовательность импульсов, модулируя сетевую частоту.
Изменением ширины этих импульсов достигается изменение значения выходного напряжения.

Схема регулятора получается достаточно простой, малошумящей и работоспособной при любых значениях тока в нагрузке.
Начну, пожалуй, с эксплуатационных характеристик. До 200 Вт полевые транзисторы практически не греются (для этого обеспечено их полное открывание импульсами схемы управления).
При эксплуатации регулятора с нагрузкой, имеющей большую, чем 200 Вт мощность, на ПТ следует установить радиаторы.
Так, например, при мощности нагрузки 1 кВт, на открытом канале ПТ, имеющем, предположим, сопротивление 0,1 Ом, падение напряжения составит около 0,45 В, а рассеиваемая мощность превысит 2 Вт, что неизбежно вызовет разогрев кристалла транзистора. При длительной работе на мощную нагрузку (от 500 Вт и выше) может потребоваться обдув радиатора. При работе с мощным трансформатором (от UPS — в понижающем включении), вторичная обмотка трансформатора была нагружена 12-вольтовой автомобильной галогенной лампой мощностью 190 Вт.

Электрическая схема

Когда к разъему P3 подключен выключатель SW1 и времязадающая RC цепочка устройство работает в режиме плавного включения лампы или электродвигателя. Время плавного включения зависит от емкости конденсатора C3, а время плавного выключения — от сопротивления резистора R2. Подберите нужный для вас режим.

Для использования устройства в качестве фотореле с плавным регулированием мощности — вместо выключателя можно подключить фотоэлемент.

При подключении к разъему P3 переменного резистора устройство работает как регулятор мощности.

Работа стабилизаторов тока

Минимальное количество функциональных элементов в схемах этой категории подразумевает разумную стоимость. При выборе такого варианта нетрудно изучить рабочие режимы, особенности настройки.

Особенности полевых структур

В радиотехнических приборах этого типа p-n переходы расположены особым образом. Для регулировки прохождения тока через центральный канал изменяются напряжение и соответствующее электромагнитное поле. Разницу потенциалов создают на стоке и затворе.

На рисунке показаны принципиальные отличия, по сравнению с биполярным транзистором. При использовании полевой структуры управляющий ток отсутствует, а входное сопротивление становится значительно больше. При такой схеме прибор потребляет минимум энергии, но не способен обеспечить усиление сигнала. Впрочем, для решения обозначенной задачи (стабилизации) увеличивать напряжение не нужно.

Принцип управления переходом

В области между зонами р типа формируется канал. Для прохождения тока создается разница потенциалов «сток-исток». Управляют переходом изменением напряжения «затвор-исток» – Uзи.

PicHobby.lg.ua

В статье расскажу, как сделать простой стабилизатор тока для светодиодов на полевом транзисторе.

Описание задумки.

Задолго до разработки фонарика на ATtiny13 мне уже доводилось работать со сверх-яркими светодиодами. И что могу сказать. Редкий радиолюбитель жаждет чтобы светодиоды перегорали, как можно чаще! :). Особенно мощные и дорогие. Вот и мне этого не хотелось и решил взяться за разработку стабилизатора тока.

Немного теории.

Мне часто задают один и тот же вопрос, мол почему именно стабилизатор тока лучше для светодиодов, а не стабилизатор напряжения. Ответ простой, но он многим не нравиться. Постараюсь пояснить на вольт-амперной характеристики(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528, рисунок 1.

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика(ВАХ) SMD светодиода типоразмера 3528 при 25⁰С.

Ось У – ток через светодиод.

Ось Х – падение напряжения на светодиоде.

Теперь внимание! Заявленный производителем ток для данного светодиода равен 20мА. Смотрим на рисунок и видим, что ток 20 мА приблизительно соответствует напряжению на светодиоде 3,4В. Если поднять напряжение на светодиоде до 3,5В, а это всего лишь на 0,1В больше чем его типовое напряжение, то ток увеличиться до 50мА, а это в 2,5 раза больше чем его заявленный ток. Если всё перевести в процентное соотношение, то получиться что ток возрастает в 2,5 раза, при увеличении напряжения всего лишь на 3%(округлил). Вот почему стабилизатор напряжения должен быть практически идеальным!

Теперь рассмотрим стабилизатор тока. Если стабилизировать ток 20мА, то увеличение тока на 3% даст результат – 20,6мА. Согласитесь, что это совсем другой результат и он куда лучше предыдущего!

Иногда мне пытаются доказать, что последовательное соединение светодиодов + стабилизатор напряжения лучше, чем параллельное + стабилизатор тока. Это, конечно, тема для отдельной статьи, но хочу тут немного пояснить, что параллельное соединение однозначно выигрывает.

Для примера возьмём пять светодиодов 20мА, 3,4В и соединим их последовательно и параллельно. При последовательном соединении если один светодиод перегорает и остаётся замкнутым, а такое бывает и часто, напряжение 17В(3,4В*5шт) делится между оставшимися четырьмя светодиодами в равных пропорциях (предположим что так). Получается, что падение напряжение на каждом светодиоде будет — 4,25В (17В/4шт). Ток при этом возрастает до неимоверных значений, а это приводит к последовательному перегоранию оставшихся светодиодов или части из них.

При параллельном соединении и стабилизации тока в 100мА(20мА*5шт) перегорание светодиода приведёт к увеличению тока на оставшихся всего на 5мА(20мА/4шт). Или по-другому: 100мА/4шт = 25мА – ток на каждом светодиоде. Разница очевидна! В этой статье не буду больше приводить плюсы и минусы каждого из решений, статья совсем о другом. Надеюсь пример был понятным. Мой личный выбор всегда на стороне параллельного соединения светодиодов и стабилизатора тока для них. Если и ваш тоже, то читайте дальше, как сделать несложный стабилизатор тока для светодиодов.

О схеме.

Принципиальная схема стабилизатора тока на полевом транзисторе показана на рисунке 2.

Резистор R1 нужен для того чтобы транзистор VT2 открывался. Стабилитрон VD1 защищает затвор от перенапряжения, для транзистора P0903BDG максимальное напряжение затвор-сток – 20В. Если у вас другой транзистор, то информацию на него смотрите в даташите. Параметр этот называется Gate-Source Voltage. Если напряжение питание значительно меньше максимального напряжения затвор-сток, то можно вообще стабилитрон не ставить. Резисторы R2-R6 выполняют роль шунта. На схему добавил их побольше чтобы можно было удобно подобрать нужный номинал.

Схема работает следующим образом. В начальный момент времени транзистор VT2 открыт, ток протекает через светодиоды и шунт из резисторов R2-R6, транзистор VT1 закрыт. При протекании тока через шунт на нём падает определённое напряжение и если оно равняется напряжению открытия транзистора VT1, то он открывается и «садит» затвор транзистора VT2 на минус питания, транзистор VT2 закрывается и ток через светодиоды и шунт начинает снижаться. При снижении тока через светодиоды будет снижаться падение напряжение и на шунте, как только напряжение станет меньше чем нужно для открытия транзистора VT1, он закроется и «освободит» затвор транзистора VT2. Транзистор VT2 снова откроется и ток устремиться к светодиодам и шунту. Дальше все повторяется по кругу.

Настройка.

Настройка схемы заключается в определении необходимого тока для светодиодов и подбору номиналов резисторов шунта. Приблизительно считаю, что падение напряжение на шунте должно быть около 0,5В. Этого напряжения достаточно для открытия транзистора VT1. Хотя по даташиту напряжение база-эмиттер для транзистора BC846 – 0,66В, для отечественных – 0,7В.

В качестве примера рассчитаю для вас номиналы резисторов шунта на ток 170мА.

Сопротивление шунта(Ом) = падение напряжение на шунте(В) / ток через шунт (А), получается: Сопротивление шунта = 0,5В / 0,17А = 2,94 Ом. Полученный результат округляю до 3 Ом. Из стандартного ряда можно взять два резистора номиналом 1 Ом и 2 Ом и впаять их на плату, как R2, R3. Резисторы R4-R6 при этом исключаются из схемы.

Дальше нужно проверить какой ток стабилизирует стабилизатор. Для проверки потребуется амперметр или миллиамперметр. Прибор нужно подключить в разрыв любого из проводов питания, подать питающее напряжение, оно, кстати, должно быть больше чем типовое питание светодиодов. Лучше использовать источник питания с возможностью регулировки выходного напряжения. Подключаем, регулируем, смотрим.

В определённый момент времени ток через стабилизатор перестанет меняться – это и будет током стабилизации. Дальнейшее увеличение напряжения ничего не изменит, разве что добавит разогрев транзистора VT2. Нужно понимать, что всё избыточное напряжение будет выделяться на транзисторе VT2 в качестве тепла. Если ток стабилизации получился таким какой нужен значит подбор шунта закончен, если же ток отличается от нужного значения в большую сторону – увеличиваем сопротивление шунта, в меньшую – уменьшаем.

О печатной плате.

Печатную плату разрабатывал под SMD компоненты в программе P-CAD 2006. Размеры платы – 37×18мм, рисунок 3. Вы можете разработать свою печатную плату и прислать мне файл для размещения на сайте.

О деталях.

Перечень деталей, необходимых для сборки стабилизатора тока, свёл в таблицу 1.

Преобразователи постоянного напряжения в переменное

Эти устройства называют DC/AC‑инверторами. Они могут применяться как отдельная аппаратура или входить в состав источников бесперебойного питания и систем преобразования электроэнергии. Формирование переменного напряжения осуществляется с помощью транзисторов и ШИМ. Периодическое высокочастотное открывание/закрывание транзисторов в электросхеме обеспечивает изменение направление движения тока и получение синусоиды.

Важно не только то, как работает инвертор напряжения, но и какую топологию формирования синусоидального сигнала он использует. Есть два основных варианта:

Топология «полумост» со сквозной нейтралью. Она отличается минимальным количеством силовых транзисторов и достаточно простой схемой. К недостаткам относится необходимость применения двухполярного источника электропитания, удвоенное число высоковольтных конденсаторов. Этот вариант используют обычно для не очень мощных нагрузок (0,5-1 кВт).

Мостовая топология. Наиболее распространенная схема в силовых преобразователях. Характеризуется повышенной надежностью, не требует большой входной емкости, обеспечивает минимальные пульсации на транзисторах. К недостаткам относится повышенная сложность драйверов и увеличенное число транзисторов.

Схема регулятора мощности на тиристоре

Сама схема проста до безобразия. Я думаю, что не стоит объяснять принцип её работы:

Детали устройства:

• Диоды; КД 202Р, четыре выпрямительных диода на ток не меньше 5 ампер
• Тиристор; КУ 202Н, или другой с током не меньше 10 ампер
• Транзистор; КТ 117Б
• Резистор переменный; 10 Ком, один
• Резистор подстроечный; 1 Ком, один
• Резисторы постоянные; 39 Ком, мощностью два ватта, два штуки
• Стабилитрон: Д 814Д, один
• Резисторы постоянные; 1,5 Ком, 300 Ом, 100 Ком
• Конденсаторы; 0,047 Мк, 0,47 Мк
• Предохранитель; 10 А, один

Тиристорный регулятор мощности своими руками

Готовое устройство, собранное по этой схеме выглядит вот так:

Так как деталей в схеме используется не очень много, можно применить навесной монтаж. Я же использовал печатный:

Регулятор мощности собранный по этой схеме очень надежен. Сначала этот тиристорный регулятор использовался для вытяжного вентилятора. Эту схему я реализовал около 10 лет назад. Первоначально я не использовал радиаторы охлаждения, так как ток потребления вентилятора очень мал. Затем я стал использовать эту электронную самоделку для пылесоса мощностью 1600 ватт. Без радиаторов силовые детали нагревались значительно, рано или поздно они вышли бы из строя. Но и без радиаторов это устройство проработало целых 10 лет. Пока не пробило тиристор. Первоначально я использовал тиристор марки ТС-10:

Теперь я решил поставить теплоотводы. Не забываем нанести тонкий слой теплопроводящей пасты КПТ-8 на тиристор и 4 диода:

Если у вас не окажется однопереходного транзистора КТ117Б:

то его можно заменить двумя биполярными собранными по схеме:

Сам я такую замену не производил, но должно получиться.

По данной схеме в нагрузку поступает постоянный ток. Это не критично, если нагрузка активная. Например: лампы накаливания, нагревательные тэны, паяльник, пылесос, электродрель и другие устройства, имеющие коллектор и щетки. Если же вы планируете, данный регулятор использовать для реактивной нагрузки, например электродвигателя вентилятора, то нагрузку стоит включить перед диодным мостом, как это показано на схеме:

Резистором R7 регулируют мощность на нагрузке:

а резистором R4 устанавливают границы интервала регулирования:

При таком положении движка резистора на лампочку приходит 80 вольт:

Обычно тиристор не открывается из-за малости напряжение на нём и скоротечности процесса, а если и откроется, то будет закрыт при первом же переходе напряжения сети через 0. Таким образом, использование однопереходного транзистора решает задачу принудительной разрядки накопительного конденсатора, в конце каждого полупериода питающей сети.

Собранное устройство я поместил в старый ненужный корпус от трансляционного радио. Переменный резистор R7 я установил на штатное место. Осталось поставить на него ручку и проградуировать шкалу напряжения:

Корпус слегка великоват, но зато тиристор и диоды охлаждаются просто великолепно:

С боку устройства я поместил розетку, чтобы можно было подключить вилку от любой нагрузки. Для подключения собранного устройство к электросети я использовал шнур от старого утюга:

Как я говорил ранее, этот тиристорный регулятор мощности очень надёжен. Я им пользуюсь уже не один год. Схема очень проста, её сможет повторить даже начинающий радиолюбитель.