Главная » Дизайн » ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе Регуляторы мощности на полевых транзисторах

ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе Регуляторы мощности на полевых транзисторах

ФАЗОВЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ НА КЛЮЧЕВОМ ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ ничительного резистора, что снижает быстродействие ключа, так как образуется RC-цепь состоящая из этого сопротивления и емкости затвора, либо выход схемы управления делают более мощным.

Обычно фазовые регуляторы мощности переменного тока строятся на основе тиристора или симистора. Эти схемы уже давно стали типовыми и повторены многократно как радиолюбителями, так и в масштабе производства. Но тиристорным и симисторным регуляторам, равно как и ключам, всегда был свойственен один важный недостаток, ограничение минимальной мощности нагрузки. То есть, типовой тиристорный регулятор на максимальную мощность нагрузки более 100W не может хорошо регулировать мощность маломощной нагрузки, потребляющей единицы и доли ватт. Ключевые полевые транзисторы отличаются тем, что физически работа их канала очень напоминает работу обычного механического выключателя, в полностью открытом состоянии их сопротивление очень мало и составляет доли Ом, а в закрытом состоянии ток утечки составляет микроамперы. И это практически не зависит от величины напряжения на канале. То есть, именно как механический выключатель. Именно поэтому ключевой каскад на ключевом полевом транзисторе может коммутировать нагрузку мощностью от единиц и долей ватт, до максимально допустимого по току значения. Например, популярный полевой транзистор IRF840 без радиатора работая в ключевом режиме может коммутировать мощность практически от нуля до 400W. Кроме того ключевой полевой транзистор обладает очень низким током затвора, поэтому для управления требуется очень низкая статическая мощность.

Правда это омрачается относительно большой емкостью затвора, поэтому в первый момент включения ток затвора может оказаться и довольно большим (ток на заряд емкости затвора). С этим борются включением последовательно затвору токоограСхема регулятора мощности показана на рисунке. Нагрузка питается пульсирующим напряжением, так как подключена через диодный мост VD5-VD8. Для питания электронагревательного прибора (паяльника, лампы накаливания) это подходит. Так как у пульсирующего тока отрицательная полуволна «вывернута» вверх, получаются пульсации с частотой 100 Гц Но они положительные, то есть, график изменения от нуля до полодительного амплитудного значения напряжения. Поэтому регулировка возможна от 0% до 100% Величина максимальной мощности нагрузки в этой схеме ограничена не столько максимальным током открытого канала VT1 (это ЗОА), сколько максимальным прямым током диодов выпрямительного моста VD5-VD8.

При использовании диодов КД209 схема может работать с нагрузкой мощностью до 100W. Если нужно работать с более мощной нагрузкой (до 400W) нужно использовать более мощные диоды, например, КД226Г, Д.

На инверторах микросхемы D1 выполнен формирователь управляющих импульсов, которые открывают транзистор VT1 в определенной фазе полуволны. Элементы D1.1 и D1.2 образуют триггер Шмитта, а остальные элементы D1.3-D1.6 образуют умощненный выходной инвертор. Умощнить выход пришлось чтобы компенсировать неприятности вызванные скачком тока на заряд емкости затвора VT1 в момент его включения.

Система низковольтного питания микросхемы посредством диода VD2 разделена на две части, собственно питающую часть,

Регуляторы мощности переменного тока с фазоимпульсным управлением получили широкое распространение как в устройствах промышленной автоматики, так и в радиолюбительских конструкциях. Регулирующим элементом таких устройств является триодный тиристор, момент (угол) открывания которого регулируется подачей импульса или уровня напряжения на управляющий электрод,

а закрывание происходит в момент уменьшения тока, протекающего через тиристор, до нуля (при активной нагрузке - в момент перехода сетевого напряжения через ноль). Такое управление называется неполным, поскольку можно регулировать только угол открывания тиристора, а момент закрывания не регулируется. Разработанные в последние годы мощные полевые транзисторы с изолированным затвором (MOSFET ) позволяют построить несложный ключ для коммутации переменного тока с полным управлением, т.е. открыванием и закрыванием ключа.

Схема регулятора мощности представлена на рис.1. Силовой ключ выполнен на транзисторах VT1, VT2, включенных встречно-последовательно. Наличие в каждом транзисторе внутреннего защитного диода, включенного параллельно каналу в обратной полярности (анодом к истоку, катодом к стоку), позволяет обеспечивать протекание тока в нагрузке при положительных и отрицательных полупериодах сетевого напряжения.

На трех логических элементах микросхемы DD1 выполнен генератор импульсов с регулируемой скважностью. Частота импульсов - около 2 кГц (значительно выше частоты сетевого напряжения). При наличии высокого уровня на выходе инвертора DD1.3 транзисторный ключ открыт, и ток протекает через нагрузку. При этом в положительный полупериод ток протекает через открытый канал транзистора VT1 и защитный диод транзистора VT2, а в отрицательный полупериод - наоборот, через защитный диод транзистора VT1 и открытый канал транзистора VT2. Если же на выходе DD1.3 - низкий уровень, то оба транзистора закрыты, и нагрузка обесточена. Временные диаграммы работы регулятора показаны на рис.2. Очевидно, что изменение скважности импульсов позволяет изменять мощность нагрузки от нуля до максимального значения, соответствующего полному напряжению сети.

Питание микросхемы DD1 производится от однополупериодного выпрямителя с параметрическим стабилизатором, собранным на элементах R2 VD3, VD4, С2 Следует обратить внимание, что стабилизатора напряжения соединен с истоками полевых транзисторов и с общим проводом микросхемы, поэтому напряжение на затворы транзисторов подается относительно их истоков

Преимущество данного способа регулирования мощности перед фазоимпульсным состоит в том, что коммутация нагрузки происходит со значительно большей частотой, чем в регуляторах на тиристорах, это позволяет регулировать мощность для малоинерционных нагрузок.

Указанные на схеме полевые транзисторы IRF840 имеют следующие параметры: ток стока - 8 А, максимальное напряжение между стоком и истоком - 500 В, сопротивление канала в открытом состоянии - 0,85 Ом, рассеиваемая мощность - 125 Вт. Эти транзисторы можно заменить на IRF740, IRFP450, IRFP460, IRFPC50, IRFPC60, IRFP350, IRFP360 BUZ80. Перед установкой в устройство следует убедиться, что транзистор имеет защитный диод (это легко сделать с помощью омметра). Максимальная мощность нагрузки определяется предельным током открытого транзистора, при этом мощность, выделяющаяся на открытом канале, не должна превышать предельно допустимую Частота генератора в случае необходимости может быть изменена подбором емкости С1.

Литература

1. Колдунов А Транзисторы MOSFET. - Радиомир, 2004, N4 С 26

2 Семенов Б.Ю Силовая электроника для любителеи и профессионалов - М. СОЛОН-Р 2001

А.ЕВСЕЕВ,

Ключевые полевые транзисторы отличаются тем, что физически работа их канала очень напоминает работу обычного механического выключателя - в полностью открытом состоянии их сопротивление очень мало и составляет доли Ом а в закрытом состоянии ток утечки составляет микроамперы и это практически не зависит от величины напряжения на канапе.

Именно поэтому ключевой каскад на ключевом полевом транзисторе может коммутировать нагрузку мощностью от единиц и долей ватт, до максимально допустимого по току значения. Например, популярный полевой транзистор IRFS40 без радиатора работая в ключевом режиме может коммутировать мощность практически от нуля до 400 ватт.

Кроме того ключевой полевой транзистор обладает очень низким током затвора, поэтому для управления требуется очень низкая статическая мощность. Правда это омрачается относительно большой емкостью затвора, поэтому в первый момент включения ток затвора может оказаться и довольно большим (ток на заряд емкости затвора). С этим борются включением последовательно затвору токоограничительного резистора, что снижает быстродействие ключа, так как образуется RC-цель состоящая из этого сопротивления и емкости затвора, либо выход схемы управления делают более мощным.

Схема регулятора мощности показана на рисунке.

Нагрузка питается пульсирующим напряжением, так как подключена через диодный мост VD5-VD8. Для питания электронагревательного прибора (паяльника, лампы накаливания) это подходит.

Так как у пульсирующего тока отрицательная полуволна "вывернута" вверх, получаются пульсации с частотой 100 Гц. Но они положительные, то есть, график изменения от нуля до положительного амплитудного значения напряжения. Поэтому регулировка возможна от 0% до 100%.

Величина максимальной мощности нагрузки в этой схеме ограничена не столько максимальным током открытого канала VT1 (это 30 А). сколько максимальным прямым током диодов выпрямительного моста VD5-VD8. При использовании диодов КД209 схема может работать с нагрузкой мощностью до 100 Вт. Если нужно работать с более мощной нагрузкой (до 400 Вт) нужно использовать более мощные диоды, например, КД226Г, Д.

Умощнить выход пришлось чтобы компенсировать неприятности вызванные скачком тока на заряд емкости затвора VT1 в момент его включения.

Система низковольтного питания микросхемы посредством диода VD2 разделена на две части, - собственно питающую часть, создающую постоянное напряжение между выводами 7 и 14 микросхемы, и часть представляющую собой датчик фазы сетевого напряжения. Работает это следующим образом.

Сетевое напряжение выпрямляется мостом VD5-VD8, затем поступает на параметрический стабилизатор на резисторе R6 и стабилитроне VD9. Так как в данной цепи нет сглаживающего конденсатора напряжение на стабилитроне носит пульсирующий характер.

Цепь R1-R2-C1 совместно с диодом VD1 устанавливает фазу пульсирующего напряжения при которой напряжение на конденсаторе С1 достигает порога переключения триггера Шмитта. Изменяя сопротивление данной RC-цепи мы изменяем время задержки открытия ключевого транзистора от момента того, когда напряжение в сети достигает значения 8-10V (значения напряжения порога переключения триггера Шмитта). Поскольку частота сети достаточно стабильна, то момент открытия ключевого транзистора относительно фазы сетевого напряжения поддерживается достаючно стабильным относительно установленного резистором R1.

Диод VD1 вместе с резистором R5 образует цепь ускоренной разрядки конденсатора С1, необходимую для того чтобы этот конденсатора разряжался при приходе фазы сетевого напряжения к нулю.

При этом триггер Шмитта переключается в нулевое состояние и ключевой транзистор закрывается. Таким образом, регулируя сопротивление R1 мы изменяем фазу момента открывания ключевого транзистора, и напряжение на нагрузку поступает только в период от этой точки до амплитудного значения. Таким образом происходит фазовая регулировка мощности. В общем, принцип почти такой же как в тиристорном регуляторе.

Теперь о источнике питания микросхемы. Практически микросхема питается напряжением запасенным в конденсаторе С2. На каждой полуволне этот конденсатор заряжается через диод VD2. Затем, при переходе фазы к нулю этот диод закрывается и питание микросхемы поддерживается зарядом конденсатора С2. Поэтому напряжение питания микросхемы постоянное, стабильное и не подверженное пульсациям. Все детали кроме резистора R1 на печатной плате с односторонней металлизацией.

Так как авторский вариант рассчитан на работу с нагрузкой мощностью не более 100W никаких радиаторов не предусмотрено и в мостовом выпрямителе используются диоды КД209 Впрочем, полевому транзистору радиатор не понадобится и при номинальной мощности нагрузки до 400 ватт. А вот диоды придется подобрать более мощные.

Микросхему К561ЛН2 можно заменить на К1561ЛН2. Стабилитрон. Д814Г можно заменить другим стабилитроном на напряжение около 10V.

В процессе налаживания может потребоваться подбор сопротивлений резистора R2 (чтобы обеспечить необходимую ширину диапазона регулировки) и резистора R5 (чтобы обеспечивалась разрядка С1). Сопротивление R5 нужно выбрать как можно большим, но таким чтобы при минимальной мощности установленной R1 транзистор не открывался вообще.

В данной статье приводится описание двух принципиальных схем регулятора основанных на постоянного тока, которые реализованы на базе операционного усилителя К140УД6.

ШИМ регулятор напряжения 12 вольт — описание

Особенностью данных схем является возможность применить фактически любые имеющиеся в наличии операционные усилители, с напряжение питания на уровне 12 вольт, например, или .

Изменяя величину напряжения на неинвертирующем входе операционного усилителя (вывод 3) можно изменять величину выходного напряжения. Таким образом, эти схемы можно использовать как регулятор тока и напряжения, в диммерах, а также в качестве регулятора оборотов двигателя постоянного тока.

Схемы достаточно просты, состоят из простых и доступных радиокомпонентов и при верном монтаже сразу начинают работать. В качестве управляющего ключа применен мощный полевой n- канальный транзистор. Мощность полевого транзистора, а так же площадь радиатора, необходимо подобрать согласно току потребления нагрузки.

Для предупреждения пробоя затвора полевого транзистора, в случае использовании ШИМ регулятора с напряжением питания 24 вольта, необходимо между затвором VT2 и коллектором транзистора VT1 подключить сопротивление величиной в 1 кОм, а параллельно сопротивлению R7 подключить стабилитрон на 15 вольт.

В случае если необходимо изменять напряжение на нагрузке, один из контактов которой подсоединен к «массе» (такое встречается в автомобиле), то применяется схема, в которой к плюсу источника питания подсоединяется сток n -канального полевого транзистора, а нагрузка подключается к его истоку.

Желательно для создания условий, при котором открытие полевого транзистора будет происходить в полной мере, цепь управления затвором должна содержать узел с повышенным напряжением порядка 27…30 вольт. В этом случае напряжение между истоком и затвором будет более 15 В.

Если ток потребления нагрузкой менее 10 ампер, то возможно применить в ШИМ регуляторе мощные полевые p- канальные транзисторы.

Во второй схеме ШИМ регулятор напряжения 12 вольт меняется и вид транзистора VT1, а также меняется направление вращения переменного резистора R1. Так у первого варианта схемы, уменьшение напряжения управления (ручка перемещается к «-» источника питания) вызывает увеличение напряжения на выходе. У второго варианта все на оборот.

НЕСКОЛЬКО ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ СХЕМ РЕГУЛЯТОРОВ МОЩНОСТИ

РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ НА СИМИСТОРЕ

Особенностями предлагаемого устройства являются использование D - триггера для построения генератора, синхронизированного с сетевым напряжением, и способ управления симистором с помощью одиночного импульса, длительность которого регулируется а втоматически. В отличие от других способов импульсного управления симистором, указанный способ некритичен к наличию в нагрузке индуктивной сос тавляющей. Импульсы генератора следуют с периодом приблизительно 1,3 с.
Питание микросхемы DD 1 производится током, протекающим через защитный диод, находящийся внутри микросхемы между ее выводами 3 и 14. Он течет, когда напряжение на этом выводе, соединенном с сетью через резистор R 4 и диод VD 5, превышает на пряжение стабилизации стабилитрона VD 4.

К. ГАВРИЛОВ, Радио, 2011, №2, с. 41

ДВУХКАНАЛЬНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ

Регулятор содержит два независимых канала и позволяет поддерживать требуемую температуру для различных нагру зок: температуры жала паяльника, электроутюга, электрообогревателя, электроплиты и др. Глубина регулирования составляет 5...95% мощности питающей сети. Схема регулятора питается выпрямленным напряжением 9...11 В с трансформаторной развязкой от сети 220 В с малым током потребления.

В.Г. Никитенко, О.В. Никитенко, Радiоаматор, 2011, №4, с. 35

СИМИСТОРНЫЙ РЕГУЛЯТОР МОЩНОСТИ

Особенностью этого симисторного регулятора является то, что число подаваемых на нагрузку полупериодов сетевого на пряжения при любом положении органа управления оказывается четным. В результате, не образуется постоянная составляющая потребляемого тока и, следовательно, отсутствует подмагничивание магнитопроводов подклю ченных к регулятору трансформа торов и электродвигателей. Мощность р егулируется изменением числа периодов переменного на пряжения, приложенного к нагруз ке за определенный интервал времени. Регулятор предназначен для ре гулирования мощности приборов, обладающих значительной инерци ей (нагревателей и т. п.).
Для регу лирован ия яркости освещения он не пригоден, т. к. лампы будут сильно мигать.

В. КАЛАШНИК, Н. ЧЕРЕМИСИНОВА, В. ЧЕРНИКОВ, Радиомир, 2011, № 5 , с. 17 - 18

БЕСПОМЕХОВЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Большинство регуляторов напряжения (мощности) выполнено на тиристорах по схеме с фазоимпульсным управлением. Как известно, подобные устройства создают заметный уровень радиопомех. Предлагаемый регулятор свободен от этого недостатка. Особенность предлагаемого регулятора - управление амплитудой переменного напряжения, при котором не искажается форма выходного сигнала, в отличие от фазоимпульсного управления.
Регулирующий элемент - мощный транзистор VT1 в диагонали диодного моста VD1-VD4, включенного последовательно с нагрузкой. Основной недостаток устройства - его низкий КПД. Когда транзистор закрыт, ток через выпрямитель и нагрузку не проходит. Если на базу транзистора подать напряжение управления, он открывается, через его участок коллектор-эмиттер, диодный мост и нагрузку начинает проходить ток. Напряжение на выходе регулятора (на нагрузке) увеличивается. Когда транзистор открыт и находится в режиме насыщения, к нагрузке приложено практически все сетевое (входное) напряжение. Управляющий сигнал формирует маломощный блок питания, собранный на трансформаторе Т1, выпрямителе VD5 и сглаживающем конденсаторе С1.
Переменным резистором R1 регулируют ток базы транзистора, а следовательно, и амплитуду выходного напряжения. При перемещении движка переменного резистора в верхнее по схеме положение напряжение на выходе уменьшается, в нижнее - увеличивается. Резистор R2 ограничивает максимальное значение тока управления. Диод VD6 защищает узел управления при пробое коллекторного перехода транзистора. Регулятор напряжения смонтирован на плате из фольгиро- ванного стеклотекстолита толщиной 2,5 мм. Транзистор VT1 следует установить на теплоотвод площадью не менее 200 см2. При необходимости диоды VD1-VD4 заменяют более мощными, например Д245А, и также размещают на теплоотводе.

Если устройство собрано без ошибок, оно начинает работать сразу и практически не требует налаживания. Необходимо лишь подобрать резистор R2.
С регулирующим транзистором КТ840Б мощность нагрузки не должна превышать 60 Вт . Его можно заменить приборами: КТ812Б, КТ824А, КТ824Б, КТ828А, КТ828Б с допустимой рассеиваемой мощностью 50 Вт.; КТ856А -75 Вт.; КТ834А, КТ834Б - 100 Вт.; КТ847А-125 Вт. Мощность нагрузки допустимо увеличить, если регулирующие транзисторы одного типа включить параллельно: коллекторы и эмиттеры соединить между собой, а базы через отдельные диоды и резисторы подключить к движку переменного резистора.
В устройстве применим малогабаритный трансформатор с напряжением на вторичной обмотке 5...8 В. Выпрямительный блок КЦ405Е можно заменить любым другим или собрать из отдельных диодов с допустимым прямым током не менее необходимого тока базы регулирующего транзистора. Эти же требования относятся и к диоду VD6. Конденсатор С1 - оксидный, например, К50-6, К50-16 и т. д., на номинальное напряжение не менее 15 В. Переменный резистор R1 - любой с номинальной мощностью рассеяния 2 Вт. При монтаже и налаживании устройства следует соблюдать меры предосторожности: элементы регулятора находятся под напряжением сети. Примечание: Для уменьшения искажения синусоидальной формы выходного напряжения попробуйте исключить конденсатор С1. А. Чекаров

Регулятор напряжения на MOSFET - транзисторах (IRF540, IRF840)

Олег Белоусов, Электрик, 201 2 , № 12 , с. 64 - 66

Так как физический принцип работы полевого транзистора с изолированным затвором отличается от работы тиристора и симмистора, то его в течение периода сетевого напряжения можно многократно включать и выключать. Частота коммутации мощных транзисторов в данной схеме выбрана 1 к Гц. Достоинством этой схемы является простота и возможность изменять скважность импульсов, мало изменяя при этом частоту повторения импульсов.

В авторской конструкции получены следующие длительности импульсов: 0,08 мс, при периоде следования 1 мс и 0,8 мс при периоде следования 0,9 мс, в зависимости от положения движка резистора R2.
Отключить напряжение на нагрузке можно, замкнув выключатель S 1, при этом на затворах MOSFET - транзисторов устанавливается напряжение, близкое к напряжению на 7 выводе микросхем ы. При разомкнутом тумблере напряжение на нагрузке в авторском экземпляре устройства можно было изменять рези стором R 2 в пределах 18...214 В (измерено прибором типа TES 2712).
Принципиальная схема подобного регулятора показан на рисунке ниже. В регуляторе использется отечественная микросхема К561ЛН2 на двух элементах которой собран генератор с регулируемой суважностью, а четыре эелемента используюся как усилители тока.

Для исключения помех по сети 220 послеловательно нагрузке рекомендуется подключить дроссель намотанный на ферритовом кольце диаметром 20...30 мм до заполнения проводом 1 мм.

Генератор тока нагрузки на биполярных транзисторах (КТ817 , 2SC3987)

Бутов А. Л. , Радиоконструктор, 201 2 , № 7 , с. 11 - 12

Для проверки работоспособности и настройки источников питания удобно использовать имитатор нагрузки в виде регулируемого генератора тока. С помощью такого устройства можно не только быстро настроить блок питания, стабилизатор напряжения, но и, например, использовать его как генератор стабильного тока для зарядки, разрядки аккумуля торных батарей, устройств электролиза, для электрохимического травления печатных плат, как стабилизатор тока питания электроламп, для «мягкого» пуска коллекторных электродвигателей.
Устройство является двухполюсником, не требует дополнитель ного источника питания и может включаться в разрыв цепи питания различных устройств и исполнительных механизмов.
Диапазон регулировки тока от 0...0 , 16 до 3 А, максимальная потребляемая (рассеиваемая) мощность 40 Вт, диапазон питающих напряжений 3...30 В постоянного тока. Ток потребления регулируется переменным резистором R 6. Чем левее по схеме движок резистора R6, тем больший ток потребляет устрой ство. При разомкнутых контактах переключателя SA 1 резистором R6 можно установить ток потребления от 0,16 до 0,8 А. При замкнутых контактах этого переключателя ток регулируется в интервале 0,7... 3 А.

Чертеж печатной платы генератора тока

Имитатор автомобильного аккумулятора (КТ827)

В. МЕЛЬНИЧУК, Радиомир, 201 2 , № 1 2 , с. 7 - 8

При переделке компьютерных импульсных блоков питания (ИБП) подзарядные устройства (ЗУ) для автомобильных аккумуляторов готовые изделия в процессе наладки необходимо чем - то нагружать. Поэтому я решил изготовить аналог мощного стабилитрона с регулируемым напряжением стабилизации, схем а которого показана на рис. 1 . Резистором R 6 можно регулировать напряжение стабилизации от 6 до 16 В. Всего было сделано два таких устройства. В первом варианте в качестве транзис торов VT 1 и VT 2 применены КТ 803.
Внутреннее сопротивление такого стабилитрона оказалось слишком велико. Так, при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 8 А - 16 В. Во втором варианте использованы составные транзисторы КТ827. Здесь при токе 2 А напряжение стабилизации составило 12 В, а при 10 А - 12,4 В.

Однако при регулировке более мощных потребителей, например электрокотлов симисторные регуляторы мощности становятся не пригодными - уж слишком большую помеху по сети они будут создавать. Для решения этой проблемы лучше использовать регуляторы с бОльшим периодом режимов ВКЛ-ВЫКЛ, что однозначно исключает возникновение помех. Один из вариантов схемы приведен .

ШИМ-регулятор. Широтно-импульсная модуляция. Схема. Стабилизатор напряжения на полевом транзисторе Регуляторы мощности на полевых транзисторах

ШИМ регулятор напряжения 12 вольт — описание

Популярное