Сайт "Cner"

 В [1] описан ступенчатый емкостной регулятор мощности (СЕРМ) переменного тока для высоковольтного сетевого паяльника на напряжение питания 127 или 220 В. Для этой цели часто применяются тиристорные регуляторы мощности. Однако в тиристорных регуляторах используется разрыв цепи переменного тока с целью широтно-импульсного регулирования гармонического напряжения, а следовательно и мощности в нагрузке. Поэтому они и создают достаточно мощные помехи, от которых нарушается работоспособность чувствительных радиоэлектронных устройств.

СЕРМ по своему принципу действия не создают помех и имеют гармоническую форму выходного напряжения на нагрузке. Помимо этого СЕРМ имеют емкостной характер реактивной мощности в сети переменного тока, что имеет благоприятное влияние на работу сетей переменного тока. Поскольку в них преобладает индуктивная составляющая реактивной мощности и её приходится компенсировать при помощи специального автоматического оборудования. По этим причинам СЕРМ могут найти самое широкое применение у радиолюбителей для работы в домашних условиях. Да впрочем и не только в домашних.

Время от времени встречаются в периодике утверждения о том, что существует множество подобных схем емкостных регуляторов, но в радиолюбительской литературе публикаций подобного рода нет. Поэтому автор решил прервать раздумья о том, нужен ли изложенный в настоящей статье материал кому-нибудь или нет и описать успешно применяемую в течении многих лет схему и известные варианты построения СЕРМ.

Помимо регулирования мощности высоковольтных нагрузок СЕРМ переменного тока могут быть использованы для регулирования мощности в низковольтных нагрузках с одновременным гашением избыточного напряжения. Существенным обстоятельством является характер нагрузки СЕРМ. Она должна быть обязательно активной, например, паяльник или лампа накаливания. Индуктивная нагрузка ни в коем случае недопустима. Поскольку при этом возникают неконтролируемые переходные процессы, а могут возникнуть даже резонансные явления, которые практически всегда недопустимы.

          

На Рис.1 показана схема СЕРМ первого типа, построенная на принципе переключения последовательного ряда конденсаторов с изменяющейся ёмкостью. Главный недостаток схем СЕРМ с механической коммутацией заключается в искрообразовании на контактах, при их коммутации под нагрузкой. Устраняется этот недостаток с помощью кнопки S1, работающей на разрыв цепи. Поэтому, прежде чем осуществить переключение ступеней мощности с помощью переключателя S2 нужно нажать кнопку S1 и обесточить всю схему СЕРМ, а затем не отпуская кнопку осуществить переключение ступеней мощности переключателем S2. Впрочем, если не жалко переключатель, то можно обойтись и без этих осложнений.

Для этой схемы СЕРМ главный недостаток наличие большой избыточной суммарной ёмкости всех регулирующих конденсаторов по сравнению с максимальной ёмкостью в старшем положении переключателя S2. Так для сопротивления нагрузки 70 Ом с мощностью 25 Вт суммарная ёмкость всех конденсаторов 21 мкФ, а максимальная ёмкость в цепи 10,5 мкФ. Избыточная ёмкость составляет 10,5 мкФ. Наличие большой избыточной ёмкости приводит к увеличению массо-габаритов и стоимости устройства. Зато компенсируется простотой схемы и доступностью применённого переключателя S2, отвечающего требованиям удобного управления устройством во время работы. Правда немного сложнее приходится с подбором необходимой ёмкости. Её приходится получать, в необходимых случаях, соединяя параллельно несколько конденсаторов меньшей ёмкости. Но это и обеспечивает возможность подбора ёмкости каждой ступени такой величины, чтобы получить постоянный шаг изменения мощности в нагрузке и соответственно линейную регулировочную характеристику.

Существуют три случая регулировочных характеристик и соответствующего им шага изменения ёмкости гасящих или регулировочных (иногда говорят - балластных) конденсаторов. В первом случае, как это указано на Рис.1, выбирается постоянный шаг изменения ёмкости. При этом получается нелинейная регулировочная характеристика. В таблице 1 приведены результаты расчётов для емкостей конденсаторов, указанных на схеме Рис.1 для R_н=70 Ом (Р_н=25 Вт). Из этих данных видно, что на первом шаге мощность изменяется на 2,3 Вт, а на последнем шаге мощность изменяется на 3,1 Вт.
                                                 
Во-втором случае реализуют линейную регулировочную характеристику и при этом имеют нелинейный шаг изменения ёмкости. В таблице 2 приведены результаты расчётов для этого случая на 11 ступеней мощности. Если внимательно изучить эту таблицу, то можно понять что рабочие точки и начальное или конечное значения мощности можно выбирать достаточно произвольно, подстраиваясь под наиболее удобный ряд емкостей. Для проведения расчётов используют любой способ из числа описанных в литературе, например (3-6). Дополнительными степенями свободы для осуществления подбора удобных значений ёмкости является отклонение в небольших пределах от рабочих точек мощности в нагрузке и величины шага мощности.
                                                                 
Вполне возможно использование третьего случая, когда нелинейными являются обе шкалы, как шкала мощностей в нагрузке, так и шкала емкостей. Эта ситуация не является основной, но допустима в тех случаях, когда под рукой нет необходимых конденсаторов.

В схеме Рис.1 применена в качестве индикатора включения неоновая лампочка. С ней схема оказывается намного проще, чем схема (1) с индикаторным светодиодом, неоправданно усложняющим схему СЕРМ. В этой схеме также нет отдельного выключателя сети. Выключение осуществляется выниманием вилки СЕРМ из сетевой розетки. Поэтому, если вилка паяльника вынута из гнезда СЕРМ, то индикатор показывает своим свечением факт включения вилки СЕРМ в сетевую розетку.

На Рис.2 показана схема СЕРМ второго типа с последовательным подключением-отключением конденсаторов. В ней избыточная ёмкость отсутствует, а для нелинейной регулировки мощности в нагрузке достаточно иметь набор из конденсаторов одинаковой ёмкости, которые последовательно подключаются или отключаются. Зато необходим менее распространённый переключатель, однополюсный, многопозиционный с подвижным контактом, который в каждой последующей позиции подключает параллельную цепь к цепям замкнутым в предыдущей позиции или наоборот, отключает, при движении подвижного контакта в обратном направлении. Для этой схемы также справедливы данные приведённые в таблицах 1 и 2. В том случае, если выбирается линейная регулировка мощности, то из таблицы 2 легко можно выяснить ёмкости конденсаторов, которые необходимо подключать на каждом новом шаге. Понятно, что подбор конденсаторов, обеспечивающих линейное регулирование намного сложнее, чем в случае нелинейного регулирования. Поэтому и расчёт линейного варианта регулирования для этой схемы более трудоёмок.

В этой схеме в качестве индикатора включения также используется неоновая лампа. Однако выключение СЕРМ осуществляется выниманием вилки паяльника из гнёзд устройства. При этом, как видно из схемы Рис.2, цепь питания оказывается разорванной и неоновая лампа не горит, а вилка СЕРМ может по прежнему оставаться включённой в розетку сети питания.
                                                           
На Рис.3 показана схема СЕРМ третьего типа с минимальным набором конденсаторов. Схема коммутации при этом наиболее сложная и имеет характер эквивалентный трём разрядам бинарного кода, хорошо известного в цифровой технике. При этом легко получается нелинейная регулировка мощности в нагрузке с линейным изменением ёмкости. А вот линейную регулировку по мощности реализовать в этой схеме невозможно. Можно лишь получить третий вариант с нелинейными шкалами, как мощности, так и ёмкости. Поэтому для этой схемы справедливы данные только таблицы 1. Этот вариант построения СЕРМ не имеет избыточной ёмкости конденсаторов.

Эта схема наиболее приемлема для изготовления, поскольку для неё необходим переключатель на три направления с 8-ю положениями. Галетные переключатели из трёх плат на 11 положений на основе керамики или гетинакса достаточно распространены и доступны. А набор конденсаторов минимален и по значениям номиналов емкостей вполне доступен для быстрого подбора.

Все три типа схем СЕРМ могут быть выполнены с набором одиночных переключателей типа тумблер или с гнездовым наборным полем. Однако в каждом случае потребуется своя особая процедура управления такими наборными полями контактов, что не всегда может быть удобным. Но зато возрастают возможности выполнения устройства по одному из вариантов комбинаций доступного набора элементов, пригодных для изготовления устройства.

Во всех трёх схемах используется неоновая индикаторная лампа ИНС-1. Для других типов неоновых ламп потребуется изменить номинал гасящего резистора. Во всех трёх схемах количество ступеней мощности (ёмкости) может быть изменено как в большую сторону, так и в меньшую. Конденсатор С1 во всех схемах включён постоянно и определяет минимальную мощность в нагрузке при младшем положении переключателей S2.

Для построения схем регуляторов нужно использовать конденсаторы на номинальные напряжения не менее 400 В и тех типов, которые специально предназначены для работы в силовых цепях переменного тока и при этом имеют герметизированное исполнение. К ним относятся, например, конденсаторы типов МБГ, МБМ, МБГЧ, К42-4 и т.д.

Все данные на схемах и в таблицах приведены для паяльника, долгое время выпускавшегося отечественной промышленностью и специально предназначенного для работы с гасящим конденсатором от промышленной сети переменного тока. Такой паяльник имеет керамическую изоляцию между нагревателем и корпусом и соответственно проходную ёмкость порядка 12-15 пФ. Сопротивление обмотки нагревателя 65±5 Ом в холодном состоянии и порядка 70 Ом в нагретом. Мощность выделяющаяся в нагревателе при номинальном напряжении питания 42 В составляет 25 Вт. Ток в нагревателе около 0,6 А. Нагреватель выполнен из нихромового провода диаметром 0,2 мм. Ремонт такого паяльника подробно описан в (2).

В том случае, если данные паяльника, который будет работать с проектируемым радиолюбителем СЕРМ, другие, то следует самостоятельно провести расчёты гасящих конденсаторов с помощью одной из описанных в литературе методик расчёта (3-6) или с помощью широко известной формулы для полного сопротивления последовательной RC-цепи:
                                                           
При этом используются также элементарные законы для цепей постоянного тока, справедливые для действующего значения низкочастотного переменного тока.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1.   О.Фёдоров. Регулятор температуры жала паяльника. -Радио, 2002, №1, с. 49.
2.   Ремонт паяльника ЭПСН.- Радиомир, 2004, №6, с. 22-23.
3.   В.Шишков. Конденсатор в икачестве сопротивления.- Радио, 1970, №7, с. 39.
4.   Брускин Б.Я. Номограммы для радиолюбителей.- М.: Энергия, 1972, с. 53.
5.   С.Бирюков. Расчёт сетевого источника питания с гасящим конденсатором.-Радио, 1997, №5, с. 48-50.
6.   В.Банников. Упрощённый расчёт бестрансформаторного блока питания.- Радиолюбитель, 1998, №1, с. 14-16; №2, с. 16-17.