Регулировка напряжения на оптроне

В регулируемом источнике высокого напряжения используется оптрон

Texas Instruments; Vishay VOM1271 TL494

Источников питания с постоянным напряжением, регулируемым в диапазоне от 0 В до 30 В или 60 В, на рынке достаточно много, но источники с напряжением свыше 60 В встречаются нечасто, и приобрести их трудно. В статье предлагается вариант самостоятельного решения этой проблемы.

Промышленность предлагает огромный выбор импульсных источников питания с фиксированным выходным напряжением. Соединив несколько таких источников последовательно, можно получить более высокое фиксированное напряжение. Чтобы иметь возможность регулировки выходного напряжения импульсного или традиционного трансформаторного источника питания, потребуется использовать линейный регулятор или понижающий импульсный стабилизатор. В качестве коммутирующего элемента понижающего преобразователя могут использоваться MOSFET или IGBT.

Как правило, в схемах коммутации напряжения верхнего плеча используются специализированные микросхемы в бутстрепной конфигурации или импульсные трансформаторы. Оптроны, способные напрямую управлять затворами MOSFET, можно пересчитать по пальцам. Из-за того, что отдавать ток, достаточный для быстрого заряда емкости затвора, оптроны не способны, их используют в основном для управления низкочастотными MOSFET ключами.

В предлагаемой схеме (Рисунок 1) была предпринята попытка использовать оптоизолятор в импульсном преобразователе. Показанный на схеме оптоизолятор (VOM1271) отличается тем, что в него встроена цепь ускоренного выключения. При подключенной к IC2 емкости затвора 200 пФ времена включения и выключения равны 53 мкс и 24 мкс, соответственно. В качестве контролера ШИМ была выбрана микросхема TL494 (IC1), изготавливаемая Texas Instruments.

Критериями выбора ключевого MOSFET AOT7S60 были пороговое напряжение затвор-исток (V_GS(th)), полный заряд затора, напряжение сток-исток и ток стока. Поскольку наибольшее выходное напряжение VOM1271 равно примерно 8.4 В, напряжение V_GS(th) транзистора должно быть меньше, причем, с достаточным запасом. У транзистора AOT7S60 V_GS(th) = 3.9 В, и при напряжении затвора 8.4 В он будет полностью открыт. Ток, который может отдавать оптоизолятор, очень невелик, его типичное значение составляет 45 мкА. Чтобы при таком токе обеспечить достаточную скорость переключения и не допустить больших коммутационных потерь, заряд затвора MOSFET должен быть низким. У транзистора AOT7S60 он равен 8.2 нКл.

Преобразователь был испытан с входным напряжением, полученным от понижающего сетевого трансформатора с выпрямителем и фильтром. При изменении R1 выходное напряжение плавно регулировалось от 5 В до 70 В.

На Рисунке 2 представлена форма напряжения на выходе микросхемы IC1 и на затворе транзистора Q1 при входном напряжении 70 В и сопротивлении нагрузки 230 Ом.

Как можно увидеть, выключение происходит достаточно быстро, а вот для включения требуется порядка 80 мкс. Однако при рабочей частоте 2 кГц это не приведет к существенным потерям переключения, особенно при большой нагрузке, когда коэффициент заполнения ШИМ велик.

Хотя величина индуктивности L1 меньше расчетной для заданного диапазона выходных напряжений, пульсации напряжения не выходили за пределы 80 – 120 мВ пик-пик в диапазоне сопротивлений нагрузки от 80 Ом до 230 Ом. При входном напряжении 70 В и нагрузке 230 Ом пульсации на выходе не превышали 80 мВ пик-пик. При тех же условиях нестабильность выходного напряжения по входу составляла 0.75%. КПД источника меняется в зависимости от режима работы, но в целом остается достаточно высоким. Так, его значение, измеренное при выходном напряжении 70 В и токе 0.3 А, равнялось 92%. С уменьшением тока нагрузки КПД падает.

Перевод: AlexAAN по заказу РадиоЛоцман

Источник

Ручной регулятор мощности – варианты схем

Такое устройство будет незаменимо, скажем, в фотостудии, где используют­ся мощные осветительные лампы: сначала вы уменьшаете яркость до поло­вины, спокойно настраиваете освещение, не заставляя клиента щуриться и обливаться потом, потом выводите яркость на полную и производите съемку. Можно его также применить для плавного регулирования мощности нагрева­теля электроплитки или электродуховки и в других областях.

Так как устройство предполагает ручное управление, нам надо позаботиться о том, чтобы изолировать орган управления— это будет переменный рези­стор — от сетевого напряжения. Самое удобное было бы использовать для этого симисторную оптопару— к примеру, МОС2А60-10 фирмы Motorola. Такая оптопара работает совершенно так же, как отдельный симистор, только вход у нее — не управляющий электрод симистора, а светодиод, подобно то­му, как это делается в диодных оптронах и оптоэлектронных реле, описанных в главе 7. Сами электронные реле, особенно если они содержат упомянутый ранее zero-детектор, использовать в данной схеме невозможно, так как ника­кого фазового управления не получится.

Но мы будем сх^му изобретать самостоятельно. Основную схему управления будем питать прямо от сети, а вот регулировочный резистор изолируем от нее с помощью оптрона — только не симисторного, а простого диодного или резисторного, выходное сопротивление которого линейно зависит от входно­го тока. Обеспечить питание управляющей части схемы при этом можно от любого изолированного от цепи источника (хоть покупного со встроенной вилкой).

Рис. 10.3. Схема ручного регулятора мощности в нагрузке

Схема регулятора представлена на рис. 10.3. Сначала представим себе, что вместо фотодиода оптрона у нас в схеме стоит обычный постоянный рези­стор. Узел, который включает этот резистор, транзисторы VT1 и VT2, конденсатор С1 и резисторы R3—R6, представляет собой т. н. релаксационный генератор на аналоге однопереходного транзистора с w-базой. Хитрая схема включения разнополярных транзисторов VT1 и VT2 и есть этот самый ана­лог. Подробно свойства однопереходного транзистора мы разбирать не бу­дем, потому что за все время моей практики единственное применение для них нашлось только вот в такой схеме релаксационного генератора, причем описываемый тут аналог работает лучше, чем настоящий однопереходный транзистор (КТ117).

Для нас достаточно знать, что такое устройство работает следующим обра­зом: если напряжение на входе (то есть на соединенных эмиттерах VT1 и VT2) меньше, чем на соединенных базе VT1 и коллекторе VT2 (то есть на делителе R3—R4), то такой транзистор заперт. Если же напряжение на входе превысит напряжение на делителе R3—R4, то транзистор откроется, причем необычным образом — ток потечет от входа к эмиттеру транзистора VT2 и создаст падение напряжения на резисторе R5. В открытом состоянии он бу­дет, подобно тиристору, пребывать до тех пор, пока ток через него (напряже­ние на входе) не упадет до нуля. Резистор R6 нужен для более надежного за­пирания транзистора VT2.

Теперь понятно, как работает генератор: сначала конденсатор заряжается с постоянной времени, обусловленной его емкостью С и сопротивлением при­емника фоторезистора (обозначим его R\ и, когда напряжение на нем дос­тигнет половины напряжения питания (что обусловлено одинаковостью ре­зисторов R3 и R4), он очень быстро разрядится через открывшийся однопереходный транзистор, резистор R5 и подключенный параллельно с ним управляющий электрод тиристора, формируя импульс включения. Когда напряжение на конденсаторе станет мало, однопереходный транзистор за­кроется и все начнется сначала — конденсатор начнет заряжаться и т. д. Час­тоту генератора можно оценить по формуле/= MRC.

А что тиристор? Он теперь останется открытым до очередного перехода се­тевого напряжения через ноль, а затем будет ожидать следующего откры­вающего импульса. Меняя сопротивление фоторезистора, то есть изменяя входной ток светодиода оптрона, мы можем менять промежуток между от­крывающими импульсами и тем самым сдвигать их фазу относительно пе­риода сетевого напряжения.

Однако это еще довольно приблизительное описание того, что на самом деле происходит в этой схеме. Внимательный читатель давно заметил, что пита­ние генератора осуществляется прямо от аыпрямленного напряжения сети через резистор R7, величина которого подобрана таким образом, чтобы на­пряжение на элементах схемы даже на максимуме синусоиды не превышало бы примерно 30 В и не вывело бы элементы схемы из строя. Такое пульси­рующее питание в данном случае вовсе не просто суровая необходимость — оно крайне полезно.

Все дело в том, что частота любых генераторов с времязадающей RC-цепоч-кой весьма нестабильна и зависит от множества причин. Если бы мы исполь­зовали для питания такого генератора постоянное напряжение, то установ­ленный нами промежуток между импульсами быстро бы «уехал», и ни о каком стабильном сдвиге фазы и речи бы не шло — напряжение на нагрузке менялось бы хаотически. В данном же случае, когда тиристор открывается, он шунтирует мост (ток ограничен током нагрузки), все падение напряжения сети теперь приходится на нагрузку и напряжение питания генератора сни­жается почти до нуля (точнее — до утроенного значения падения на диоде). Когда это происходит, однопереходный транзистор, согласно описанному ранее алгоритму, откроется — ведь на входе у него напряжение, накопленное на конденсаторе, и оно рано или поздно превысит небольшое остаточное на­пряжение на делителе. Причем в конце концов это произойдет, даже если ти­ристор не откроется вовсе (в схемах без моста в цепи нагрузки, приведенных далее, работа тиристора не оказывает влияния на питание схемы), потому что в конце полупериода напряжение так или иначе упадет. Потому, независимо от того, насколько конденсатор заряжен, он к концу полупериода обязатель­но разрядится и к началу нового полупериода придет «чистенький». В конце очередного полупериода тиристор запирается, и с началом следующего гене­ратор опять начинает работать.

Это означает, что схема наша автоматически синхронизируется с частотой сети, и промежуток времени от начала очередного полупериода до возникно­вения запускающего тиристор импульса (фаза управляющего импульса) будет достаточно стабилен, независимо от внешних условий. Если вдруг вы захотите использовать в этой схеме вместо аналогового генератора микро­контроллер или просто логическую схему, то вам придется тоже обязательно синхронизировать его выходные импульсы с сетевым напряжением. В нашей же схеме можно, как это часто делают, ограничить напряжение на элементах схемы управления с помощью стабилитрона (его следует включать парал­лельно делителю R3—R4), но ни в коем случае не следует дополнительно еще и включать сглаживающий конденсатор.

Если подобрать управляющий резистор, у которого корпус и ручка надежно изолированы от контактов, то можно упростить конструкцию, если питать управляющую цепочку все же от сети. Для этого следует последовательно с резистором R7 поставить любой маломощный диод (катодом к R7, как показа­но на рис. 10.6 далее), а последовательно с ним, параллельно всей управ­ляющей цепочке — стабилитрон на 10—15 В (например, Д814Г, учтите, что ток через него составит порядка 30 мА, так что стабилитроны в стеклянных корпу­сах не подойдут), шунтированный электролитическим конденсатором емко­стью 47—100 мкФ. В принципе можно обойтись и без стабилитрона (тогда кон­денсатор должен быть на напряжение не менее 35 В), но так схема будет работать надежнее. Однако будьте осторожны, особенно при отладке схемы! Корпус такого устройства обязательно должен быть снаружи из пластика, а не из металла.

Если вникнуть в описанный алгоритм работы поглубже, то станет понятно, что при малых углах регулирования (до половины полупериода) генератор, в принципе, может выдать (а в схемах, описанных далее — и выдаст) за полу­период несколько импульсов, но это не должно нас смущать — тиристор за­пустится с первым пришедшим, а остальные просто сработают вхолостую.

Вот сколько тонкостей зарыто в такой, казалось бы, простой схеме!

Оптрон АОД130Б можно заменить на любой другой диодный оптрон, однако учтите, что отечественные оптроны старых моделей имеют очень небольшое пробивное напряжение изоляции (100—200 В). Впрочем, это критично толь­ко в том случае, если регулирующая схема (переменный резистор) гальвани­чески соединена с потенциалом, связанным с сетью — например, закорочена на корпус, который связан с настоящей землей. Так как это маловероятно, то в крайнем случае можно не обращать внимания на этот параметр, но все же использовать «нормальные» оптопары как-то спокойнее. Транзисторы КТ815Г и КТ814Г, вообще говоря, можно заменить любыми соответствую­щими маломощными транзисторами, скажем, КТ315Г/КТ361Г или КТ3102/КТ3107, потому что мощность транзистора тут большой роли не иг­рает. Но с более мощными схема может работать более стабильно из-за того, что у них в открытом состоянии внутренние сопротивления переходов суще­ственно ниже. Конденсатор С1, естественно, неполярный, керамический или с органическим диэлектриком.

Для больших токов нагрузки (превосходящих 1—2 А) тиристор придется по­ставить на радиатор 15—30 см^. Крупным недостатком этой простой и на­дежной схемы является наличие моста, через который течет тот же ток, что и через нагрузку. При указанных на схеме диодах, рассчитанных каждый на ток до 3 А, и тиристоре с предельным током 10 А мощность в нагрузке в принципе может достигать 1,3 кВт (так как через каждый диод ток течет только в течение полупериода, то ток через него и выделяющаяся на нем мощность наполовину меньше, чем на тиристоре). Производители диодов из серии 1N54XX в описании их характеристик хвастаются, что даже при макси­мальном токе дополнительного теплоотвода для них не требуется. Однако если рассчитывать на максимальнук) мощность, и тем более, если устройство будет собрано в герметичном корпусе, где будет, несомненно, очень жарко, то их все же лучше поменять на такие, которые мойсно устанавливать на ра­диатор, например, из серии КД202 с буквами от К до Р (так как эти диоды рассчитаны на ток до 5 А, то можно выжать мощность уже 2 кВт). Естест­венно, можно использовать и готовый мост, скажем, импортный KBL04.

Отладку надо начинать со сборки всей схемы, исключая тиристор с мостом и резистор R7. Регулирующую цепочку вход оптрона—R1—R2 (вместо пере­менника R1 впаяйте пока постоянный резистор) следует подсоединить к тому источнику питания, который будет использоваться в реальном регуляторе (можно применить любой нестабилизированный источник со встроенной вилкой или только его внутренности, как указано в главе 9). Напряжение ис­точника большого значения не имеет, оно может быть любым в диапазоне от 7 до 20 В. Питание остальной части схемы мы на период отладки обеспечи­ваем также от источника постоянного тока — можно от того же самого, что и регулирующая цепочка.

Затем постоянный резистор, заменяющий R1, перемыкаем накоротко с по­мощью проволочной перемычки, все включаем и смотрим осциллографом импульсы, которые должны появиться на резисторе R5. Если импульсов нет, это означает одно из двух — либо что-то неправильно собрано, либо вы их просто не видите, так как они достаточно короткие. Посмотрите тогда форму напряжения на конденсаторе С1 — там вы точно должны все поймать. Если конденсатор заряжается и разряжается как надо, попробуйте опять поймать импульсы, меняя длительность развертки и используя синхронизацию. После того как вы их поймаете, определите по сетке осциллографа и установкам времени развертки время промежутка между ними. Изменяя номинал рези­стора R2, это время нужно установить в пределах одной-полутора миллисе­кунд, меньше не надо — ранее мы уже узнали, что при малых фазовых сдви­гах регулирования все равно никакого не будет (30° сдвига и соответствует примерно 1,5 мс для частоты 50 Гц). После этого снимаем перемычку с R1.

В этом состоянии промежуток должен находиться в пределах 10—11 мс. Ес­ли это не так, то подберите этот резистор. Затем на его место следует впаять переменный резистор точно такого же номинала.

Рис. 10.4. Вариант регулятора с двумя встречно-параллельными тиристорами

На рис. 10.4 изображен улучшенный вариант предыдущей схемы, который не требует мощного моста (управляющая оптроном цепочка не показана, она идентична предыдущему случаю) и обеспечивает через нагрузку не пульси­рующее, а переменное напряжение (как на осциллограмме рис. 10.2 внизу). Для того чтобы получить напряжение в нагрузке в оба полупериода, исполь­зуются два тиристора VD1 и VDT, включенные встречно-параллельно.

Управление ими осуществляется через импульсный трансформатор Т1, кото­рый представляет собой ферритовое кольцо марки 1000НН— 2000НН диа­метром от 10 до 20 мм. Обмотки намотаны проводом МГТФ-0,35. Первичная обмотка (I) содержит 20—30 витков, вторичные (II и III) наматываются вме­сте и содержат от 30 до 50 витков каждая. Обратите внимание на противопо­ложную полярность включения вторичных обмоток— если она иная, то включение нагрузки будет только в один из полупериодов. Через маломощ­ный мост КЦ407 питается схема генератора, работа которой не отличается от описанной ранее. Резистор R7 можно поставить и до моста в цепь перемен­ного напряжения, тогда требования к предельно допустимому напряжению диодов моста снижаются.

Рис. 10.5. Вариант регулятора с симистором вместо тиристора

Еще один вариант схемы, который позволяет вместо двух тиристоров исполь­зовать симистор (триак), показан на рис. 10.5. Отличается этот вариант тем, что генератор работает в обеих полярностях сетевого напряжения— в положи­тельном полупериоде работает аналог однопереходного транзистора с «-базой на транзисторах VT1 и VT2, как и ранее, а аналог однопереходного транзисто­ра противоположной полярности (с /7-базой) на транзисторах VT3 и VT4 делает все то же самое, но в отрицательном полупериоде напряжения. Таким образом управление симистором обеспечивается в обоих полупериодах. Это остроум­ное решение заимствовано с сайта electrostar.narod.ru/.

Однако, чтобы обеспечить здесь плавную регулировку, диодный оптрон не годится, так как он может работать только в определенной полярности, и приходится использовать резисторный оптрон АОР124Б. Его можно заме­нить любым другим резисторным оптроном (их не так-то и много разновид­ностей) или даже изготовить самостоятельно из светодиода и фотосопротив­ления (последних как раз в продаже предостаточно). Для этого достаточно закрепить светодиод эпоксидной смолой в стоячем положении на фотосопро­тивлении так, чтобы он смотрел прямо «в лицо» последнему, а потом плотно закрасить оставшуюся часть окна фоторезистора густой темной краской или залепить черной липкой лентой. Единственный, но существенный недостаток этой схемы по сравнению с предыдущими вариантами — резисторный оп­трон может вести себя не слишком стабильно, особенно при изменениях температуры. Поэтому такая схема, в силу своей простоты, может быть ре­комендована для использования в схемах регулирования мощности с обрат­ной связью, которая устраняет последствия нестабильности регулятора, на­пример, в схемах термостатов (см. главу 12).

Устройство плавного включения ламп накаливания

Лампы накаливания практически всегда перегорают при включении. Это происходит потому, что сопротивление вольфрамового волоска, как и любого металла, зависит от температуры — с повышением температуры оно повы­шается, причем так как перепад температур очень велик (порядка 2000 гра­дусов), то сопротивление холодной лампы может быть в десятки раз ниже, чем горящей. Например, у лампы 100 Вт, 220 В рабочее сопротивление должно быть почти 500 Ом, однако мультиметр у выкрученной из цоколя лампы покажет величину меньше 40 Ом. Большой начальный ток и приводит в выходу лампы из строя. Целесообразно при включении постепенно (в тече­ние 0,5—1 с) повышать напряжение — это может продлить срок службы лампы в несколько раз.

Такое устройство легко соорудить из схемы ручного регулятора в любом из ее вариантов путем небольшой переделки узла управления. Так как это уст­ройство не будет содержать органов ручного управления, то его можно пи­тать целиком прямо от сети без оговорок. Оптрон, тем не менее, мы сохра­ним — как удобное устройство управления. Переделки сведутся к тому, что мы заменим цепочку R1—R2 узлом, показанным на рис. 10.6. Здесь конден­сатор С2 (нумерация компонентов сохранена в соответствии с рис. 10.3) по­сле включения питания заряжается через резистор R1 с постоянной времени RC. Так как изначально конденсатор разряжен, то тока через светодиод оп­трона не будет и генератор не работает — темповое сопротивление фоторе­зистора слишком велико. По мере заряда конденсатора напряжение на выхо­де эмиттерного повторителя будет возрастать, ток через оптрон будет увеличиваться, и в течение примерно 1 с он возрастет настолько, что фаза управляющих импульсов сдвинется к самому началу полупериода и яркость горения лампы станет максимальной. После выключения питания С2 разря­дится через цепочку переход база-эмиттер-Я2-светодиод оптрона, и схема придет в начальное состояние. Питание управляющего узла должно быть по­ложительным, поэтому мы его питаем через диод VD2.

Удобством в этой схеме является то, что особо тонкой настройки она не тре­бует. Соберите ее при указанных номиналах и сразу включите в сеть. Если яркость растет слишком быстро или, наоборот, медленно — подберите рези­стор R1. Если же она вообще не достигает максимальной, то уменьшите зна­чение резистора R2.

Рис. 10.6. Переделка узла управления для устройства плавного включения ламп накаливания

Подобных схем регуляторов очень много в радиолюбительской литературе и в Сети (см., например [22]), имеются и более компактные конструкции, в том числе такие, которые представляют собой двухполюсник и могут подклю­чаться в разрыв цепи нагрузки. Естественно, схемы подобных регуляторов выпускают и в интегральном исполнении.

Источник