Как сделать регулятор мощности для тэна 3 квт своими руками

Недавно «по производственной необходимости», искал схему самодельного регулятора мощности, и делал само устройство. Результатом остался вполне доволен, и дальше расскажу о том, как своими руками сделать регулятор мощности.

Немного про симисторный регулятор мощности способы его применения

Симисторные регуляторы мощности, которые теперь следует называть диммеры, наш заполонили радиорынок.

Сегодня подобные устройства можно встретить даже в отделах по продаже дистилляторов, ведь диммеры иногда используют для регулировки температуры нагрева материала в перегонных аппаратах.

Также эти регуляторы мощности используются в электронагревателях водяных баков, инкубаторах, вулканизаторах для заклеивания автомобильных камер, в инструментах – паяльниках для плавной регулировки нагрева, в дрелях и болгарках для контролирования скорости вращения, в простых лампах накаливания для регулировки яркости и даже в самогонных аппаратах.

Если вкратце, то способов применения у регуляторов мощности огромное количество, диммеры весьма полезны в хозяйственной и технической деятельностях и являются необходимыми устройствами для каждой мастерской.

От чего зависит его мощность

Дальше будет про нюансы, коих всего три, и от которых может зависеть мощность диммера как заводского, так и самодельного.

Первый нюанс – запас мощности симистора.

Он должен быть около 30% для качественной работы, при этом разница в их цене будет незначительной.

Для примера можно взять стандартную ситуацию – вы заказываете симистор у продавца, он же в свою очередь будет утверждать, что его мощность достигает 4 кВт.

При этом он будет использовать различные уловки, например, сфотографирует близко для обмана зрения и теплоотвод будет казаться больше, чем он есть на самом деле.

Конечно, если включить такой диммер на полминуты, то он может и выдержит.

Однако обычно к нему подключают лампы накаливания или ТЭН, которые работают часами при такой мощности.

Такие регуляторы не выдержат, они даже на 3кВт будут максимально греться, а после просто перегорят.

Вы должны понимать, что такое 40 кВт, а также то, что регулятору придётся пропускать через себя 18 ампер и то, какое сечение должно быть у проводов для того, чтобы пропускать такой ток.

Второй нюанс был немного задет в прошлом абзаце, но всё же – сечение проводов и дороже печатной платы.

Чем сечение проводов и дорожек шире и толще – тем лучше, при этом чем сами эти дорожки и провода короче – тем также лучше.

При их пайке обязательно нужно их лудить оловом или паять вдоль дорожек медную жилку.

Дополнительно, если вы работаете с устройством на 3 000 Вт или более, то лучше отказаться от различных клемм для зажима и всяких разъёмов.

Ведь эти места становятся уязвимыми зонами – если контакт немного ослабнет, то происходит их нагревание, а после обгорание проводов, что, естественно, нежелательно.

Третий нюанс в теплоотводе.

Если теплоотвод для вашего собственноручно изготовленного диммера недостаточно большой площади, то через долговременное использование всё устройство будет крайне сильно греться (температура может доходить 90 градусов цельсия и выше), это будет настоящая печь.

Поэтому советую использовать в качестве теплоотвода радиатор от компьютера с кулером.

Подобные замены теплоотводу, даже небольшие, покажут хороший результат при долговременной работе на мощности 4 000 Вт, в то время как китайские радиаторы в теплоотводах позволят не выйти из строя устройству в ближайшие минуты после запуска на такой мощности.

Дополнительно немного расскажу о стеклянных предохранителях.

Коротко о главном! Не советую.

Вывел как-то держатель предохранителя с колпачком на заднюю панель, предохранитель поставил на 15 ампер, нагрузка была около 3 кВт.

В результате весь узел так сильно грелся, что рукой не прикоснуться.

Поэтому лучше ставить вместо стеклянных предохранителей автоматические выключатели (если нагрузка 3 000 Вт, то выключатель на 16 ампер).

Принципиальная схема приведенного на рисунке 14 регулятора мощности публиковалась, в том или ином виде, не один раз, и не в одном издании. Ее отличие от предшественников — она вобрала в себя наиболее удачные узлы, а именно: включение нагрузки происходит только в момент перехода, синусоиды напряжения питания через ноль, что позволило избавится от помех по сети питания 220 В. В качестве силового ключа используется симистор произвольной мощности. Стабилизатор внутреннего напряжения питания имеет повышенную надежность и помехоустойчивость.

Рисунок 14 Принципиальная схема регулятора мощности нагревательных приборов

На элементах DD1.1 и DD1.2 собран аналог мультивибратора с регулируемой скважностью, которая зависит от положения движка переменного резистора R1. Резисторы включенные с крайних выводов R1 определяют минимальное время работы/отдыха нагревательных элементов, однако уменьшать их менее чем 620ом не рекомендуется (устройство может потерять устойчивость работы). На элементах DD1.3 и DD1.4 собран формирователь. В качестве DD1 можно использовать К561ЛА7 или К561ЛЕ5, т.к. элементы используются как обычные инверторы (для более устойчивой работы мультивибратора лучше, конечно использовать К561ТЛ1). К недостаткам подобного рода регуляторов мощности можно отнести то, что они имеют сравнительно маленькую постоянную времени. Интервалы между включением/выключением нагрузки не могут превысить 1-1,5 мин. Увеличение времязадающих резистора и конденсаторов обычно приводит к уменьшению устойчивости работы, т.к. начинают сказываться токи утечки электролитического конденсатора. Из всего выше сказанного нетрудно догадаться, что при достаточно большой мощности нагрузки домочадцы обречены на наблюдение ежеминутного повышения/понижения яркости осветительных приборов. Постоянное изменение освещенности очень сильно утомляет глаза, особенно при чтении. Для увеличения времени работы/отдыха нагрузки необходим ввод дополнительных времязадающих элементов, а значит и увеличение потребляемого устройством тока. Этот факт уже не позволяет использовать для питания устройства конденсаторный шунт малых габаритов, а использование силового трансформатора позволяет существенно расширить функциональные возможности прибора. Стараясь учитывать все упомянутые факты и был разработан автомат управления мощностью нагревательных приборов средней и большой мощности, используемый совместно с системами водяного (масляного) отопления. ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕГУЛЯТОРА МОЩНОСТИ: Напряжение питания 180-260 В; Коммутируемая мощность нагрузки определяется используемым симистором или пускателем; Время работы/отдыха минимум 5 мин; Время работы/отдыха максимум 4 час; Диапазон устанавливаемых температур рабочей жидкости 60-100°С; Диапазон захвата температур 30°С; Режим работы непрерывный, круглосуточный. На рис. 15 приведена принципиальная схема устройства управления системой электроотопления, на рис.16 — расположение проводников на печатной плате, на рис.17 — расположение деталей.

Рисунок 15 Принципиальная схема регулятора мощности для нагревательных приборов большой мощности

Рисунок 16 Чертеж печатной платы регулятора мощности (масштаб 1мм=4пкс, вид со стороны деталей)

Рисунок 17 Раположение деталей на печатной платре регулятора мощности

При замыкании контактов выключателя SA1 сетевое напряжение подается на трансформатор TV. Переменное напряжение с трансформатора, величиной 25-27 В, выпрямляется диодным мостом, собранным на диодах VD1-VD4, сглаживается конденсатором С5 и стабилизируется DA1. Стабилизированное напряжение 24 В служит для питания реле управления пускателем, который в свою очередь подает напряжение питания на нагревательные элементы. Так же это напряжение подается на интегральный стабилизатор DA2, который и питает схему управления. На элементах DD1.1 — DD1.3 собран задающий генератор с двумя цепочками регулировки рабочей частоты. Это позволило сделать независимую регулировку времени работы нагрузки и ее отдыха. На DD2, DA3 организован таймер, существенно увеличивающий постоянную времени, на DA3 — терморегулятор, отключающий нагрузку по достижению температуры, циркулирующей жидкости, близкой к кипению. При подаче напряжения питания на 11 выводе (вход «R») микросхемы DD3, через заряжающийся конденсатор С3, формируется кратковременно уровень лог. «1», что в свою очередь устанавливает счетчик в «нулевое» состояние (на всех выходах уровень лог. «0»). Таким образом на входе элемента DD1.1 появляется запрещающий работу уровень лог. «0». На выходе DD1.4 формируется уровень лог. «1», через переход «база — эмиттер» транзистора VT1 начнет протекать ток и он откроется, реле К1 включится и подаст напряжение питания на пускатель, а он в сою очередь на нагревательные элементы. Резистор R6 и конденсатор С4 введены для уменьшения тока потребления в режиме нагрева. Лог. «1» с выхода DD1.4 так же попадет на вход DD1.3 тем самым разрешая его работу, и тактовый генератор начнет вырабатывать прямоугольные импульсы. Частота этих импульсов зависит от емкости конденсатора С2 и суммы сопротивлений R2+R4. Резистор R4 ограничивает максимальную частоту генератора, R2 — регулируют ее. Кратность изменения частоты, приблизительно можно посчитать по формуле R2/R4 (по схеме — 47к / 1,5к = 31, т.е. при верхнем, по схеме, положении движка R2 частота будет в 31 раз больше, чем при нижнем). Импульсы, вырабатываемые тактовым генератором, поступают на вход счетчика DD2.1, где их частота уменьшается в 16 раз. С выхода 4-го разряда счетчика DD2.1 (вывод 14) импульсы попадают на вход DD2.2 и опять их частота уменьшается еще в 16 раз. Таким образом при тактовой частоте генератора 1кГц на выходе 4-го разряда (вывод 6) формируются импульсы с частотой около 4Гц. Эта частота подается на вход счетчика DD3 и, через токоограничивающий резистор R20, на светодиод VD5. Диод VD5 служит для примерного контроля за частотой работы тактового генератора. С появлением импульсов на входе «С» счетчик DD3 начинает их подсчет и как только на его 13-ом разряде (вывод 3) появится лог. «1» элемент DD1.4 выключит реле и запретит работу элемента DD1.3. Однако тактовый генератор продолжит свою работу, т.к. с появлением «1» на 3-ем выводе DD3 будет разрешена работа элемента DD1.1. Теперь частота тактового генератора зависит от емкости С1 и положения движка резистора R1. По прошествию какого то времени на 3-ем выводе DD3 снова появится лог. «0» и цикл повторится. На микросхеме DA3 собран терморегулятор, не позволяющий рабочей жидкости достигнуть температуры кипения. Резисторы R17, R18 устанавливаются на выходе водо/масло нагревательного котла, непосредственно на трубу. Резистором R9 выставляют предел регулировки температуры, R10 регулирует саму максимальную температуру. При увеличении температуры суммарное сопротивление резисторов R17 и R18 начнет уменьшаться и как только оно достигнет значения, при котором напряжение на выводе 2 DA3 станет меньше, чем на выводе 3 на выходе (вывод 6) сформируется уровень лог. «1». Это напряжение откроет транзистор VT2, а он в свою очередь закроет VT1, реле выключится и нагрев прекратится. DA3 охвачен регулируемой положительной обратной связью (R12+R14), тем самым представляется возможным регулировать разницу температур включения/отключения. При использовании автомата для управления масляными обогревателями следует учесть, что температура масла может достигать 120-160ОС, а температура разрушения полупроводниковых элементов 100-120ОС. Практически все терморезисторы основаны на полупроводнике, поэтому для повышения надежности устройства рекомендуется устанавливать терморезистор через небольшой теплоизолятор, например сложенная в 8-12слоев газета. Конечно точность термодатчика уменьшится, но те 10-20ОС на которые «уйдут» параметры большой роли не сыграют. DA1 и DA2 закреплены на общем теплоотводе, в качестве которого можно использовать алюминиевую полосу шириной 25-30мм и длиной 120-150мм. Полоса выгибается до плотного подхода к теплоотдающим пластинам м/с DA1 и DA2. Оставшаяся длина гнется под прямым углом до края платы так, чтобы полоса охватила часть периметра платы. Для устройства подойдет практический любой тип корпуса, на передней панели закреплены все регуляторы и кнопки, а на задней — панель предохранителя и клеммы подключения пускателя. Кнопка SA2 без фиксации, служит для принудительного включения нагрева и используется, чтобы увеличить продолжительность первого включения отопительной системы на нагрев. Если же в качестве SA2 использовать кнопку с фиксацией, то она будет служить переключателем рода работы — включение нагрузки в зависимости от времени или от температуры рабочей жидкости. На печатной плате вход DD3, равно как и выход, «висит» в воздухе. Это сделано для увеличения универсальности устройства и позволяет в широких пределах изменять емкость С1, С2 (устанавливать то, что есть в наличии), и подгонять временные диаграммы практически под любую систему обогрева. После определения требуемых временных интервалов вход и необходимый выход DD3 соединяются проволочной перемычкой с необходимой контактной площадкой.

Адрес администрации сайта

Схема регулятора мощности

Основным элементом регулировки является симистор BTA06-600, который же и триак.

Вы же можете его заменить на почти любой симистор из серии BTA, к примеру BTA12-60, BTA24-600 и другие.

При этом можно не проводить пересчёт номиналов элементов.

Покупая симистор, учитывайте то, что первые цифры – максимальный ток, который он пропускает в открытом состоянии.

Вторая же группа цифр – максимальное обратное напряжение данного симистора.

Вот, например, возьмём триак BTA06-600 – получается, что его ток 6 ампер, а напряжение 600 В.

Его хватит для регулировки устройства, нагрузка которого будет мощностью 800 Вт.

Также советую брать запас по току при выборе симистора – изменения в цене будут незначительны, однако надёжность конструкции повыситься.

Мощность резистора R1 должна быть 0,25 Вт для того, чтобы даже при использовании регулятора на 3000 Вт резистор будет холодным.

К переменному резистору нет особых требований, так что можете брать любой, что вам приглянулся.

Конденсатор C1 же должен быть пленочным и с напряжением 400 В.

Предохранитель следует выбрать в зависимости от тока нагрузки.

Светодиод можно не устанавливать в схему, но тогда вместо диода VD1 придётся установить перемычку.

Предохранитель F1 можно установить на отдельной колодке или же на самом проводе, при этом выведя колпачок его корпуса на заднюю панель устройства.

Регулятор для мощного нагревателя

На страницах журнала «Радио” и в другой радиолюбительской литературе описано немало различных конструкций регуляторов мощности, от простых на одном тиристоре до довольно сложных, с микроконтроллерным управлением. Однако в подавляющем большинстве конструкций этих регуляторов используется фазовый метод управления выходными тиристорами, поэтому такие регуляторы неизбежно создают импульсные помехи, интенсивность которых возрастает с увеличением мощности нагрузки.

Для управления нагрузкой, обладающей значительной инерционностью, например электронагревателями, больше подходит другой метод регулирования мощности — изменение числа проходящих через нагрузку полных периодов сетевого напряжения. Такой метод, в отличие от фазового, позволяет открывать выходные тиристоры в самом начале каждого полупериода сетевого напряжения, что значительно снижает уровень помех, создаваемых регулятором мощности.

Дополнительным преимуществом этого метода является возможность использования в качестве выходного коммутирующего элемента симисторного твердотельного оптоэлектронного реле, содержащего в своём составе детектор перехода сетевого напряжения через ноль. Такие реле управляются постоянным напряжением и позволяют коммутировать ток в десятки и сотни ампер, поэтому выходной узел, построенный с применением твёрдотельного реле, получается сравнительно простым.

По принципу изменения числа проходящих через нагрузку полупериодов сетевого напряжения работает регулятор мощности, описанный в [1], а доработанный вариант этой конструкции, описание которого приведено в [2], позволяет управлять мощностью путём изменения числа проходящих через нагрузку полных периодов сетевого напряжения, что исключает появление постоянной составляющей протекающего через нагрузку тока. Обе конструкции регуляторов построены с применением двух микросхем структуры КМОП, а регулирование мощности осуществляется десятью ступенями путём изменения коэффициента деления счётчика, на вход которого поступают импульсы с частотой сети.

Когда автору потребовался регулятор для электронагревателя мощностью 4 кВт, выбор пал на конструкцию, описанную в [2], но схема устройства была переработана с учётом имевшихся в наличии деталей. В итоге получился регулятор, построенный на одной микросхеме и имеющий шестнадцать ступеней регулирования мощности. В качестве элемента, коммутирующего цепь питания нагрузки, использовано симисторное твердотельное реле, а элементы устройства управления регулятором не имеют гальванической связи с сетью 230 В.

Рис. Схема регулятора

Схема регулятора приведена на рисунке. В течение каждого положительного (относительно нулевого провода) полупериода сетевого напряжения через излучающий диод оптопары U1 протекаетток, поэтомуфототранзи-стор оптопары открывается в начале и закрывается в конце каждого положительного полупериода, формируя на входе С2 (выводе 2) счётчика DD1.1 практически прямоугольные импульсы, следующие с частотой 50 Гц. По спаду каждого импульса счётчик DD1.1 увеличивает своё состояние на единицу, и на его выходах формируется двоичный код, соответствующий числу подсчитанных полных периодов сетевого напряжения. После поступления на вход 16-го импульса счётчик переполняется, и счёт импульсов начинается сначала.

Счётчик DD1.2 работает как RS-триггер и обеспечивает пропуск в нагрузку требуемого для установленного уровня мощности числа полных периодов сетевого напряжения. После каждого переполнения счётчика DD1.1 на входе С2 (выводе 10) счётчика DD1.2 формируется спад напряжения, в результате чего счётчик DD1.2 увеличивает своё состояние на единицу и самоблокиру-ется путём подачи на вход С1 (вывод 9) высокого логического уровня с выхода Q1. Напряжение на этом выходе открывает полевой транзистор VT1, в цепь стока которого включён излучающий диод симисторного твердотельного реле U2, подающего сетевое напряжение на нагрузку. При появлении на входе R (выводе 15) счётчика DD1.2 высокого логического уровня он возвращается в исходное состояние, полевой транзистор закрывается и нагрузка отключается от сети.

Выключатели SA1-SA4 служат для установки мощности, выделяемой на нагревателе. Каждый из выключателей, подключённых через развязывающий диод к соответствующему выводу счётчика DD1.1, имеет свой вес, соответствующий числу подаваемых в нагрузку полных периодов сетевого напряжения в процентах от полной мощности. Если замкнут только выключатель SA1, в нагрузку поступит только один из шестнадцати периодов сетевого напряжения, что соответствует 100/16 или 6,25 % полной мощности нагрузки. При замкнутом выключателе SA2 в нагрузку будут поступать два из шестнадцати периода, т. е. 12,5 % мощности, а при одновременном включении нескольких выключателей мощность будет определяться суммарным весом этих выключателей. Таким образом, устройство обеспечивает 16 ступеней регулирования мощности нагрузки, начиная от 0 (все выключатели разомкнуты) и до 93,75 % (все выключатели замкнуты) с шагом 6,25 %.

Работает регулятор следующим образом. При каждом переполнении счётчика DD1.1 счётчик DD1.2 переходит в единичное состояние на выходе Q1 и включает твердотельное реле U2, которое остаётся включённым в течение заданного выключателями SA1 — SA4 числа полных периодов сетевого напряжения. По достижении на выходах счётчика DD1.1 двоичного числа, соответствующего заданному выключателями SA1-SA4 уровню мощности, на выводе 15 счётчика DD1.2 появляется высокий логический уровень и триггер, построенный на этом счётчике, возвращается в исходное состояние, отключая твёрдотельное реле. При следующем переполнении счётчика DD1.1 триггер снова переключается в единичное состояние, и процесс повторяется.

Диод VD6 служит для обеспечения правильной работы регулятора при установленной мощности 50 %. Дело в том, что в случае включения только выключателя SA4 спад высокого логического уровня на выводе 10 счётчика DD1.2 будет совпадать со спадом высокого логического уровня на его входе сброса, поэтому счётчик DD1.2 не сможет переключаться и мощность на нагрузке будет равна нулю. Наличие диода VD6 обеспечивает появление на входе R счётчика DD1.2 низкого логического уровня сразу после прохождения сигнала сброса, обеспечивая тем самым корректную работу счётчика при установленной мощности 50 %.

Переключатель SA5 служит для управления режимом работы. В положении «Регулятор» минусовый вывод твердотельного реле U2 подключается к выходу регулятора мощности, в положении «Выкл.» нагрузка отключена, а в положении «Полная мощность» на нагрузку поступает всё напряжение сети и регулятор не работает. По частоте вспышек индикаторного светодиода HL1 можно ориентировочно судить о величине мощности, поступающей в нагрузку. Конденсаторы С2-С4 подавляют помехи на соответствующих входах микросхемы DD1, конденсатор С1 — блокировочный в цепи питания этой микросхемы.

Устройство питается стабилизированным напряжением 5 В, поступающим с выхода импульсного источника питания А1 (использовано зарядное устройство для сотового телефона модели WTCS2 с током нагрузки до 700 мА). Для питания устройства также можно использовать любой подходящий стабилизированный источник с выходным напряжением 5…14 В и током нагрузки не менее 50 мА, увеличив сопротивление резисторов R1, R3, R5 пропорционально величине питающего напряжения. В том случае, когда источник питания находится на некотором удалении от платы регулятора, параллельно конденсатору С1 следует подключить оксидный конденсатор ёмкостью 220 мкФ на номинальное напряжение 16 В.

В устройстве можно применить резисторы любого типа, при этом мощность резистора R2 должна быть не менее 1 Вт. Неполярные конденсаторы — К10-7В или К10-17, диод VD1 — с допустимым обратным напряжением не менее 400 В, остальные диоды — любые маломощные выпрямительные или импульсные, например, серии КД521 или КД522. Вместо микросхемы К561ИЕ10 можно использовать импортную микросхему МС14520, полевой транзистор 2N7000 можно заменить транзисторами BS170, КП501 или использовать биполярный транзистор структуры n-p-n, например КТ315 или КТ3102, увеличив сопротивление резистора R4 до 5,6 кОм. Транзисторная оптопара U1 — любая с напряжением изоляции не менее 1000 В, переключатели SA1-SA5 — любые, подходящие по габаритам.

Применённое автором твердотельное реле BDH-25044.ZD3 управляется постоянным напряжением 3.32 В и способно коммутировать ток до 250 А при активной нагрузке. При токе нагрузки до 5 А это реле можно использовать без теплоотвода, а при большем токе реле следует установить на теплоотвод с использованием теплопроводной пасты. На месте U2 также можно использовать любое твердотельное реле с нуль-детектором и требуемым током нагрузки или применить узел на симисторном оптроне и двух тиристорах, как это сделано в [2]. В случае применения регулятора для управления индуктивной нагрузкой следует руководствоваться рекомендациями, приведёнными в технической документации используемого твердотельного реле, а в случае необходимости применять элементы защиты от импульсных перенапряжений (демпфирующие RC-цепи или варисторы).

В авторском варианте устройство было изготовлено «на скорую руку», а в качестве корпуса блока управления использована картонная коробка. Устройство показало надёжную работу. Собранный правильно и из исправных деталей регулятор мощности начинает работать сразу и в налаживании не нуждается. В том случае, если на выходе регулятора отсутствуют импульсы (светодиод HL1 не светит или светит постоянно), следует уменьшить сопротивление резистора R2, добиваясь устойчивого открывания фототранзистора оптопары U1. При необходимости яркость свечения светодиода HL1 мож- но изменить путём подборки резистора R5, а если в индикации нет необходимости, светодиод и этот резистор можно исключить.

С помощью описанного регулятора можно управлять мощностью не только однофазной, но и трёхфазной нагрузки, установив на месте оптореле U2 трёхфазное твердотельное реле (обязательно с нуль-детектором). Автор проводил эксперименты с трёхфазным нагревателем мощностью 15 кВт (нагревательные элементы соединены звездой с выводом средней точки), применив твердотельное реле HT-12044.ZD3. Однако при использовании такого способа регулирования следует помнить, что целое число периодов сетевого напряжения проходит только через ту фазу, к которой подключена цепь контроля сетевого напряжения (оптопара U1), поэтому в двух других фазах неизбежно появление постоянной составляющей тока, которая негативно влияет на режим работы сети.

При налаживании и эксплуатации регулятора мощности следует учитывать, что часть его элементов находится под напряжением сети, поэтому надо соблюдать правила техники безопасности. Для защиты регулятора от короткого замыкания в цепь его питания (в фазный провод) следует установить автоматический выключатель или плавкий предохранитель с номинальным током, равным или немного превышающим ток, потребляемый нагрузкой.

Литература

1. Лукашенко С. Регулятор мощности, не создающий помех. — Радио, 1987, № 12, с. 22, 23.

2. Мороз К. Усовершенствование регулятора мощности. — Радио, 2014, № 5, с. 30, 31.

Автор: А. Мельников, г. Барнаул

Работа схемы

Во время подключения симистор VD4 закрыт, а ток протекает через предохранитель F1 и резисторы R1, R2, при этом заряжается конденсатор C1.

Как только напряжение на конденсаторе C1 поднимается до 32 В открывается динистор VD3, через который пойдёт ток, открывая при этом симистор VD4.

Симистор будет пропускать через себя ток нагрузки и закроется, как только синусоида пройдёт нулевой потенциал.

После чего весь цикл повторяется.

Меры безопасности

Весь процесс сборки самодельного регулятора мощности должен происходить строго по схеме и инструкции при соблюдении правил безопасности.

Диммер работает при высоком напряжении в 220 вольт, в целях безопасности не касайтесь устройства инструментом, а тем более голыми руками.

Однако знайте, что от фланца и, соответственно, симистор током не бьёт – проверено на личном опыте.

Работоспособность диммера следует проверять на лампах накаливания мощностью от 60 до 80 Вт.

Подключать энергосберегающие, светодиодные или другие лампы, в которых включены пусковые устройства и импульсные преобразователи не рекомендуется.

Немного про охлаждение

Для охлаждения необходим, как ни странно, радиатор охлаждения.

Его следует при крепить к фланцу регулирующего элемента, при этом нанести между ними слой теплопроводной пасты.

Подобрать площадь поверхности радиатора необходимо путём проб и ошибок.

По опыту должен сказать, что если ваш самодельный диммер будет установлен на паяльник, лампу накаливания или другой предмет мощностью до 80 Вт, то можно будет обойтись без радиатора.

Если же регулятор будет использоваться в устройстве мощность регулируемой нагрузки которого достигает 1000 Вт, то потребуется радиатор с площадью 200 сантиметров квадратных, такой радиатор при длительной работе (5 часов) у меня нагревался до 90 градусов цельсия.

Ну и для длительных работ с нагрузкой мощностью 3 кВт я брал такой же радиатор, при этом установил дополнительно вентилятор-кулер из компьютера для охлаждения процессора, питание которому обеспечивалось от миниатюрного выпрямителя. При этом всём температура радиатора была комнатной.

Рекомендую следующее видео, в котором автор самостоятельно изготавливает регулятор мощности своими руками:

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?

Мощность — это произведение силы тока на напряжение. Если представить это произведение графически, то для постоянного тока, это будет площадь прямоугольника со сторонами равными напряжению и току

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.

Это было бы решением всех проблем, но в моем случае устройством коммутировавшим нагрузку был не быстрый транзистор, а симистор — медленный прибор, с максимальными рабочими частотами в пределах нескольких сотен герц, к тому же симистор можно только открыть, закроется он сам при переходе через ноль. На таких частотах управлять переменным напряжением которое имеет частоту 50 Гц, линейно не получится. Поэтому здесь нужно использовать какой-то другой подход и как раз для него, помимо симисторов, была установлена схема перехода через ноль.

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.

Изначально задача заключается в том чтобы разбить синусоиду на нужное нам количество кусочков, каждый из которых будет иметь одинаковую площадь. На этом моменте, обычно проступает холодный пот, так-как площадь под графиком это и есть геометрическое определение интеграла. Соответственно нам нужно будет взять интеграл от функции при этом определить такие пределы интегрирования, которые будут давать одинаковый результат. Затем (как будто расчёта интегралов мало!) полученные пределы нужно будет перевести во время задержки (время в течении которого будет сохранятся высокий уровень). После чего полученное время перевести в понятное для контроллера число — количество тиков таймера. Звучит страшно, а по факту сейчас разберёмся:

Во первых сама функция — как было написано выше мощность это произведение тока на напряжение, для переменного тока (без сдвига фаз), это утверждение также верно, но, так-как и ток и напряжение меняются со временем P=IU превращается в P=I*sin(t) * U*sin(t). Так как амплитуда синусоиды нас сильно не волнует, уравнение вырождается до P=sin^2(t).

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:

import numpy as np rad_arr=list() #записываем неопределённый интеграл integral=lambda rad: (rad/2)-(math.sin(2*rad)/4) #составляем простенький цикл для подбора решений for x in np.arange(0, 0.78, 0.015): #шаг подбора for xx in np.arange(0, 3, 0.00001): if func(xx) >= x: print(xx) rad_arr.append break;

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

Теперь, значения задержек в радианах, превратим во время, умножив каждое значение на период радианы (T). Проверим ход своей мысли: действительно-ли получится время задержки, если умножить задержку, на период? Задержка имеет размерность радиан, период — секунд за радиану, мы хотим их перемножить. Тогда рад * ( сек / рад ) = сек. Мы получили время, а значит ход мыслей должен быть верным.

Для расчётов я опять предпочту python:

#стандартная частота сети frequency = 50 #находим частоту в радианах rad_per_s=frequency*(2*math.pi) #находим период радианы s_per_rad=1/rad_per_s #находим задержки используя полученный ранее массив delay_arr=[x*s_per_rad for x in rad_arr]

На этом моменте мы получили универсальную таблицу задержек, теперь необходимо конвертировать её специально под микроконтроллер.

Расчёт таймера МК и перевод таблицы

Время необходимо перевести в понятную для МК величину — количество переполнений таймера. Но сначала необходимо определится с частотой таймера: чем выше частота, тем точнее он будет отмерять время, но с другой стороны, тем меньше времени будет оставаться на выполнение остальной программы. Здесь необходимо найти золотую середину.

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:

5 мс — 4.9363 мс = 0.0636 мс

Получившееся число является максимально допустимым периодом между прерываниями таймера, тогда через него найдём минимально допустимую частоту

1 / 0.0636 = 15 КГц

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.

Для настройки таймера на определенную частоту, не кратную тактирующей используется режим таймера CTC — Clear Timer on Compare. В этом режиме таймер досчитывает до заданного числа и сбрасывается, после чего операция повторяется. Число при котором будет происходить совпадение считается по формуле

Число = Тактовая частота МК / предделитель таймера / выбранная частота

Частота выбрана, теперь нужно перевести таблицу в тики таймера. Делать я это буду опять на Python

#задаем частоту таймера generator_freg=15000 #получаем время одного периода таймера one_tick=1/generator_freq #получаем массив с тиками таймера tick_arr=[x/one_tick for x in delay_arr]

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

import math import numpy as np rad_arr=list() integral=lambda rad: (rad/2)-(math.sin(2*rad)/4) for x in np.arange(0, 0.78, 0.015): for xx in np.arange(0, 3, 0.00001): if func(xx) >= x: print(xx) rad_arr.append break; frequency = 50 rad_per_s = frequency * (2 * math.pi) s_per_rad = 1 / rad_per_s delay_arr = generator_freg = 15000 one_tick = 1 / generator_freg tick_arr = print(tick_arr)

Также, если кому-то будет интересно, могу поделится исходником готового регулятора для ардуино.

Как итог…

Сделать самодельный регулятор мощности для ТЭНа мощностью 3 кВт не трудно. Вы можете самостоятельно в этом убедиться, имея при этом базовый набор технических навыков и умений, а также комплектующих конструкции. Используйте схему, что находится выше, для изготовления столь полезного приспособления, которое можно применить во множестве устройств, например, электронагревателях, инкубаторах, вулканизаторах, паяльниках, дрелях, болгарках, просто в лампах накаливания и много где ещё.

Вопрос

Напишите в комментариях, как вы считаете какой регулятор более качественный и надёжный – самодельный или же фабричный?

Регулятор мощности для ТЭН. Для чего нужен и какой выбрать

Приветствую Вас, дорогие мои читатели!

Эта статья будет актуальна для тех, кто в качестве источника нагрева перегонного куба своего самогонного аппарата выбирает трубчатые электронагреватели или ТЭН.

Большинство производителей самогонных аппаратов изначально задумывают какую-то часть своих моделей уже со встроенными ТЭНами, или с возможностью для потребителя самостоятельно установить их.

Но если с ТЭНами более или менее все понятно, то с регуляторами мощности не так все радужно. Одни производители комплектуют нагреватели только, в лучшем случае, кабелем и электрической вилкой, другие устанавливают автоматические выключатели, ну, а наиболее продвинутые, а я бы сказал, наименее жадные, устанавливают полноценные регуляторы мощности.

Мне с продавцом не повезло. А может, тогда еще время ТЭНов не пришло, но в 2022 году, заказывая у продавца (он же являлся и производителем комплектующих) перегонный куб, я не только не смог уговорить его сделать выход под ТЭН, но и сами нагреватели в его магазинах не продавались.

Пришлось делать все самостоятельно. Спасибо добрым людям.

В куб был вварен выход пот трубчатый электронагреватель, приобретен сам нагреватель, дело оставалось за малым — собрать регулятор мощности.

Но так как с электрикой я не дружу, от слова СОВСЕМ, знающие люди показали, что мне нужно приобрести, какие детали, и они же собрали регулятор.

На известном китайском сайте я приобрел, собственно, сам регулятор мощности и ваттметр, в магазине электрики — автоматический выключатель и монтажную коробку для всего этого, а в компьютерной мастерской ребята мне отдали вентилятор от системного блока.

Теперь о том, для чего нужен регулятор мощности.

В моем случае, в перегонный куб установлен ТЭН мощностью 6кВт. Естественно, проводка обычной городской квартиры не позволяет давать такую мощность, поэтому с помощью регулятора я ограничиваю нагрев 4,5 киловаттами. Максимальная мощность моего регулятора заявлена, как 10кВт, но я думаю, что китайский производитель слегка завысил показатели, и он реально потянет не более, чем на 8 кВт.

Отбор головных фракций при второй, дробной, перегонке необходимо проводить на минимально-возможной мощности нагревательного элемента. Без регулятора мощности выстроить минимум нагрузки не представляется возможным.

В установленном Ваттметре есть функция контроля израсходованных кВт/час, что позволяет следить за потреблением электроэнергии. Особенно это полезно тем, кто задумывается о себестоимости конечного продукта

В случае резкого скачка напряжения , возникновения перегрузки в сети, автоматический выключатель прервет электроснабжение нагревателя перегонного куба, тем самым не даст вывести его из строя.

В моих планах провести небольшую модернизацию электрического регулятора мощности и установить дополнительно устройство стабилизации напряжения сети и устройство защитного отключения, сами названия этих элементов говорят о том, для чего они нужны.

Интересно, а вы пользуетесь регуляторами мощности ТЭНов? Напишите в комментариях, как лучше и дешевле собрать регулятор мощности, чтобы он соответствовал всем предъявляемым требованиям.

Хотите узнать больше о буднях самогонщика, о самогоне и самогоноварении? Подписывайтесь на мой канал. Ставьте ?. Делитесь ссылками в социальных сетях, этим Вы поддержите развитие канала. Впереди Вас ждет еще много интересного.

Почитайте другие статьи моего блога:

Бюджетный самогонный аппарат. Честный обзор

Почему самогонный аппарат плюется

В чем отличие сухопарника от дефлегматора

• Предидущее: Рецепт: Лепешки на сковороде + варианты начинок к ним
• Следующее: «Не могу отказать людям…»