Как устроены регуляторы напряжения

Прибор, схема которого изображена на рисунке 1, предназначен для регулировки переменного напряжения. Он сочетает в себе преимущества трансформаторных преобразователей (гальваническое разделение от сети и, как следствие, безопасность в работе) и тиристорных регулирующих устройств (плавная регулировка выходного напряжения в широком диапазоне, высокий КПД). Ценное свойство этого регулятора — электронная защита от токовых перегрузок, возникающих при включении его в сеть. Силовые элементы его и нагрузка предохранены от повреждений экстратоками. Устранение «бросков» тока при включении значительно увеличивает ресурс ламп накаливания, имеющих низкое сопротивление холодной нити.
Совместно с простейшим диодно-мостовым выпрямителем регулятор используется и как источник постоянного напряжения, точнее, пульсирующего напряжения, которое можно сгладить емкостным фильтром.
КПД регулятора высок: он достигает 70... 80 процентов и определяется в основном потерями в трансформаторе. Трансформатор может быть как понижающим (в этом случае число витков обмотки L1 больше, чем у L2), так и повышающим.
Регулятор может найти применение в лабораторном блоке питания для получения постоянного или переменного напряжения. Пригодится он и для зарядки мощных аккумуляторов. При этом используют понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации 10...15. В этом случае ток, протекающий в цепи первичной обмотки трансформатора, примерно в 10...15 раз меньше тока вторичной обмотки. Таким образом, тепловая мощность, рассеиваемая на силовом тринисторе VD, незначительна даже при больших токах нагрузки (5...10 А). Это позволяет обойтись без теплоотводящих радиаторов и упрощает конструкцию регулятора.
Принцип действия прибора таков. Среднее (или эффективное) значение напряжения регулируется путем изменения фазового угла зажигания силового тринистора. Силовой тринистор можно представить как ключ, пропускающий ток в течение некоторой части периода синусоидального напряжения. Вводя задержку на открывание этого ключа, мы тем самым изменяем среднее значение тока, протекающего через нагрузку.
На элементах VT1, VT2 собран аналог однопереходного транзистора, управляющего работой силового тринистора VD. Запирающее напряжение подается на базу транзистора VT1 с делителя напряжения, образованного элементами R1...R4. Элементы R5, R6 и С1 образуют фазосдвигающую цепь. Изменяя сопротивление резистора R6, можно изменять время заряда конденсатора С1 до значения запирающего напряжения и тем самым регулировать задержку на включение тринистора VD. Таким образом происходит регулирование мощности в нагрузке.
Сопротивление резистора R5 задает верхнее значение выходного напряжения. Поэтому сопротивление резистора R5 выбирают в пределах 5,1— 20 кОм. Следует иметь в виду, что, увеличивая сопротивление R5, мы уменьшаем максимальное значение выходного напряжения.
Сопротивление переменного резистора R6 можно увеличить до 220 кОм. При этом глубина регулировки в сторону уменьшения возрастает, но максимальное значение напряжения не изменяется.
Защита от токовых перегрузок при включении регулятора в сеть обеспечивается введением в цепь делителя напряжения, задающего пороговое запирающее напряжение терморезистора R4, имеющего отрицательный температурный коэффициент сопротивления (ТКС). За счет тепловой инерции терморезистора пороговое запирающее напряжение, подаваемое на базу транзистора VT1, имеет максимальное значение в момент включения регулятора и плавно уменьшается по мере разогрева терморезистора током, протекающим через делитель напряжения. Соответственно выходное напряжение в первый момент после включения имеет минимальное значение и плавно возрастает в течение промежутка времени, определяемого тепловой инерцией терморезистора (как правило, 0,5...1 с), стремясь к установившемуся значению. При этом нагрузка и силовые элементы регулятора оказываются надежно защищенными от экстратоков включения. Следует отметить, что эффективность защиты повышается, если вместо одного терморезистора включить последовательно 2...3 идентичных. Номиналы остальных элементов схемы в этом случае не изменяются.
В регуляторе использованы следующие элементы: конденсатор С1 типа МБМ на рабочее напряжение не ниже 160 В, постоянные резисторы типа МЛТ, переменный резистор типа СПЗ-12а, СПЗ-6 и аналогичные (допускается применеиие подстроечных резисторов типа СПЗ-1а, СПЗ-1б). Вместо терморезистора Т8М можно применить любые терморезисторы из серий Т8, Т9 (при этом время выхода на режим будет несколько отличаться от указанного).
В качестве трансформатора Т можно использовать готовые типа ТН-54 (максимальный выходной ток 5 А), ТН-58 (выходной ток не более 6 А), у которых выводы вторичных обмоток 9—10, 11— 12, 14—15 можно соединять последовательно для получения нужного коэффициента трансформации. Кроме того, не исключено применение трансформаторов типа ТПП. Можно изготовить трансформатор и самостоятельно по описаниям, приведенным в журнале «Радио» № 1 за 1980 год и № 4 за 1984 год, а также в сборнике «В помощь радиолюбителю», выпуск 84. При этом надо иметь в виду, что расчетная мощность трансформатора не должна превышать 150 Вт.
В качестве диодного блока В можно применить КЦ405А, Б, а также КЦ402А-В. Вместо указанных на схеме транзисторов вполне подходят: VT1—МП21 с индексами В-Е, МП26; VT2-КТ315 с любым буквенным индексом. Тринистор VD может быть типа КУ201Л. Выключатель 5 — любой сетевой на напряжение не ниже 250 В и ток не менее 2 А (можно использовать тумблер ТВ1-1).
Для электропитания обычных сетевых устройств, рассчитанных на напряжение 220 В мощностью до 200 Вт (например, ламп накаливания, электронагревательных приборов и т. п.) регулятор можно использовать в бестрансформаторном варианте. Трансформатор Т исключают из схемы, а нагрузку включают вместо первичной обмотки W1. При этом гальваническое разделение от сети отсутствует, однако защитные свойства схемы от перегрузок при включении полностью сохраняются.

Иногда требуется регулировать напряжение не от нуля до максимума, а в сравнительно небольших пределах изменения. Один из вариантов регулятора, позволяющего регулировать напряжение в диапазоне 160...220 В, приведен на рисунке 2 (имеется в виду действующее значение напряжения, определяющее тепловой эффект электрического тока). Эта схема (рис. 2) во многом аналогична предыдущей. Но есть и отличие: форма напряжения в нагрузке имеет ярко выраженную несимметрию. Поэтому в качестве нагрузки нельзя использовать устройства с большой индуктивностью. Область применения данного регулятора — электропитание нагревательных и осветительных приборов мощностью до 400 Вт (при этом допускается применение диодов типа КД202 с индексами К-Р).
В приведенных выше схемах для защиты от токовых бросков при включении регуляторов использованы терморезисторы. У радиолюбителей, особенно начинающих, могут возникнуть трудности с их приобретением. В этом случае резистор R4 можно просто исключить из схемы (соединив нижний вывод резистора RЗ с «минусом» регулятора), оставив номиналы остальных элементов прежними. Тогда устройство будет работать аналогично обычному тиристорному регулятору напряжения.

Регулятор, схема которого приведена на рисунке 3, содержит всего несколько деталей. С его помощью можно увеличить напряжение без трансформаторов. КПД такого регулятора весьма высок и достигает 98 процентов. Но надо иметь в виду, что на выходе регулятора действует практически постоянное напряжение. По сути дела, регулятор представляет собой выпрямитель с фильтром. Эффект повышения напряжения обусловлен зарядкой конденсаторов. Таким образом, прибор работает исключительно с активной нагрузкой, мощность которой может достигать 600 Вт.
Регулятор обеспечивает ступенчатую регулировку выходного напряжения. Количество ступеней можно изменить, подключив дополнительные конденсаторы. Максимальный коэффициент увеличения действующего значения напряжения на выходе прибора по сравнению со входом зависит от соотношения суммарной емкости подключенных конденсаторов и сопротивления нагрузки. При указанных номиналах он может достигать 1,2...1,4.
Предлагаемый регулятор удобно использовать как приставку к электропаяльнику. Он также может быть полезен при фотографических работах с искусственным освещением: вся подготовительная часть пройдет при обычном напряжении, а в момент съемки оперативно включают форсированный режим питания ламп. В этом случае резко увеличивается светоотдача электроламп накаливания (до 2...2,5 раза) и улучшаются спектральные характеристики — «белизна» света, или, как говорят, повышается «цветовая температура» ламп.
В схеме регулятора допускается использовать диоды серни КД202 с индексами К-Р, конденсаторы типа К50-7 на рабочее напряжение 450 В. Выключатели S1-S3 — любые сетевые, рассчитанные на ток не менее 1 А.
Все описанные регуляторы при исправных элементах начинают работать сразу, без наладки.