Фазоимпульсными регуляторами (ФИР) называются устройства, позволяющие регулировать яркость ламп (диммеры), мощность электрических нагревателей, скорость вращения электроинструмента и т.п. ФИР содержит в своём составе электронный ключ, который включен между питающей сетью и нагрузкой. В течении некоторой части периода сетевого напряжения этот ключ замкнут, а затем он размыкается. Увеличивая или уменьшая время, в течении которого ключ находится в замкнутом состоянии, можно увеличивать или уменьшать мощность, выделяющуюся в нагрузке. Обычно в качестве ключа используется тиристор. Рассмотрим структурную схему тиристорного ФИР, представленную на рис. 1. Соответствующие временные диаграммы представлены на рис. 2.
Рис.1.
Рис.2.
Селектор нуля срабатывает, когда сетевое напряжение проходит через ноль. Цепь задержки через интервал времени Тз, регулируемый в пределах от нуля до 10 мс, запускает формирователь импульсов, открывающих тиристор. Далее тиристор остаётся открытым до тех пор, пока ток через него не станет меньше тока удержания, т.е. почти до конца полупериода.
На временной диаграмме Uc - выпрямленное сетевое напряжение. Uн - напряжение на нагрузке. Зелёным цветом выделены моменты времени, когда тиристорный ключ замкнут.
При малых и средних Тз тиристорный ФИР работает вполне удовлетворительно, но при больших Тз, близких к длительности полупериода сетевого напряжения, что соответствует питанию нагрузки короткими импульсами малой амплитуды, возникают проблемы, связанные с тем, что не все виды нагрузки могут нормально работать при таком питании. Например лампы накаливания начинают заметно мерцать. Кроме того при больших Тз нестабильность работы цепи регулируемой задержки вызывает существенные изменения длительности выходных импульсов. В самом деле - если Тз, например в результате нагрева элементов схемы, возрастёт с 9 до 9.5 мс, т.е. примерно на 5%, то длительность импульсов на нагрузке сократится от 1 мс до 0.5 мс, т.е. вдвое. Если Тз превысит 10 мс, то тиристор будет открываться в самом начале полупериода, что соответствует максимальной мощности. Это может привести к повреждению нагрузки, если она не рассчитана на полное сетевое напряжение.
Ещё одним недостатком тиристорных ФИР являются помехи, которые возникают при замыкании ключа и, в меньшей степени, при размыкании (имеется в виду работа ФИР на активную нагрузку).
Реальные тиристорные ФИР обычно делаются на симметричном тиристоре (симисторе), по этому выпрямитель не требуется, но рассмотренные недостатки им также присущи.
Если в качестве ключа использовать не тиристор, а мощный высоковольтный MOSFET транзистор, то можно существенно уменьшить проблемы, возникающие при необходимости питать нагрузку низким напряжением.
Структурная схема ФИР с ключом на полевом транзисторе представлена на рис. 3. Временные диаграммы представлены на рис. 4.
Рис. 3.
Рис. 4.
Компаратор сравнивает регулируемое напряжение Uоп, формируемое источником опорного напряжения, с выпрямленным сетевым напряжением. Если сетевое напряжение меньше опорного, то полевой транзистор открыт, нагрузка подключена к сети. В противном случае компаратор размыкает ключ - ток через нагрузку отсутствует. Очевидно, что как на восходящей так и на нисходящей ветвях синусоиды будут участки, когда транзисторный ключ замкнут, что и отражено на временной диаграмме. Это позволяет передать в нагрузку требуемую мощность за большее время, чем в случае тиристорного ФИР, и, соответственно, уменьшить пиковые напряжения и токи нагрузки.
Схема электрическая принципиальная транзисторного ФИР представлена на рис. 5.
Рис. 5.
Источник регулируемого опорного напряжения собран на элементах R1, C1, VD2 и R4. Напряжение +12В со стабилитрона VD2 также используется для питания микросхемы DA1.1. Конденсатор С2 уменьшает шумы, возникающие при вращении оси переменного резистора R4. Операционный усилитель DA1.1, используемый в качестве компаратора, сравнивает опорное напряжение с сетевым, поступающим на инверсный вход с делителя на резисторах R2, R3. Полевой транзистор VT1 представляет собой силовой ключ, управляемый сигналом с выхода компаратора. Резистор R8 разгружает выход усилителя DA1.1 от ёмкости затвор-исток полевого транзистора, кроме того благодаря этому резистору переключение VT1 несколько замедляется, что способствует снижению помех.