Zaloguj się
Wszystkie
6 września 2022
3866
Jak działa regulator napięcia przemiennego?
Ściślejszą nazwą byłby: regulator mocy, lecz z regulacją napięcia te układy również mają wiele wspólnego. Typowy przebieg napięcia przemiennego w sieci 230V ma kształt sinusoidalny o wartości szczytowej 325V. Owe 230V to jego wartość skuteczna. W przypadku sygnałów zmiennych sinusoidalnie, obie te liczby są związane współczynnikiem wynoszącym √2.
Wartość skuteczna napięcia zmiennego to taka wartość napięcia stałego, które da ten efekt energetyczny. Jeżeli ulegnie zmniejszeniu - w jakikolwiek sposób - spadnie również moc dostarczana do odbiornika. Zatem rolą regulatora napięcia jest zmniejszanie wartości skutecznej napięcia. Jak to zrobić? Są na to dwie metody:
Regulator fazowy
Ten rodzaj regulatora napięcia, spotykany najczęściej, charakteryzuje się przepuszczaniem “niepełnych” połówek sinusoidy. Im mniejszą powierzchnię będzie miał fragment sinusoidy, który zasili urządzenie, tym mniejsza będzie jego wartość skuteczna. I w drugą stronę: zwiększenie mocy, aż do 100%, jest możliwe po zasileniu sterowanego urządzenia pełnymi połówkami sinusoidy.
Elementami wykonawczymi w tego rodzaju regulatorach są najczęściej triaki i tyrystory. Te elementy można raz załączyć, po czym przewodzą tak długo, jak długo płynie przez nie prąd. W momencie przejścia prądu przez zero, ulegają samoczynnemu wyłączeniu.
Ponowny zapłon (rozpoczęcie przewodzenia) odbywa się po odmierzeniu określonego czasu od momentu przejścia przez zero. Im dłuższy będzie ten interwał, tym mniejsza moc dostarczona do odbiornika, ponieważ większa część sinusoidy zostanie pominięta.
Regulator grupowy
W tym regulatorze przepuszczane są pełne okresy sygnału sinusoidalnego, lecz część z nich jest cyklicznie opuszczana. Element wykonawczy - również triak lub tyrystor - po prostu nie zostaje załączony. W ten sposób możemy uzyskać zmniejszenie mocy średniej dostarczanej do obciążenia do poziomu np. 20% - kiedy na 5 okresów napięcia sieciowego, do obciążenia trafi tylko jeden.
Do ich realizacji najczęściej stosuje się mikrokontrolery, które odliczają odpowiednią liczbę okresów, aby uzyskać określony procent obniżenia mocy.
Wady i zalety
Ten rodzaj regulacji nie daje takiej płynności jak regulacja fazowa. Tutaj mamy narzuconą rozdzielczość, więc dany okres może być przewodzony albo zablokowany. W regulatorze fazowym możemy dowolnie ustalać czas opóźnienia włączenia triaka: może to być 5,45ms, jak i 5,348ms. Rozdzielczość nie jest narzucona, zatem taka regulacja może odbywać się całkowicie płynnie.
Regulator fazowy można zrealizować przy użyciu zaledwie kilku elementów elektronicznych, a jednym z nich jest diak. Zaczyna przewodzić, kiedy napięcie na jego zaciskach wzrośnie do określonej wartości, po czym przewodzi tak długo, aż spadnie poniżej innego, niższego progu. Kondensator ładuje się poprzez potencjometr i rezystor - im większa jest rezystancja wypadkowa obu tych elementów, tym dłużej trwa ładowanie kondensatora do napięcia zapłonu diaka. Kiedy już ono nastąpi, triak otrzymuje impuls prądu bramki i zaczyna przewodzić - tak długo, jak płynący przez jego anody prąd jest różny od zera.
Dostępne w handlu regulatory fazowe mają również inne elementy, na przykład filtry redukujące ilość emitowanych przez nie zakłóceń. Niestety, takie nagłe załączenie zasilania, w trakcie trwania połówki sinusoidy, powoduje powstanie zakłóceń elektromagnetycznych. Są one uciążliwe i niekiedy mogą zaburzać pracę np. odbiorników radiowych. Dlatego próbuje się je zwalczać poprzez filtrację napięcia, choć te zabiegi nie zawsze przynoszą pożądany skutek.
Pod tym względem znacznie lepsze są regulatory grupowe. Ich zasada działania praktycznie eliminuje powstawanie zakłóceń do zera, ponieważ zasilane urządzenie jest w pełni załączone lub całkowicie wyłączone. Za to ich budowa jest bardziej złożona niż najprostszego regulatora fazowego, choć tutaj również nie należy demonizować. Jeżeli większość logiki sterującej zostanie zaszyta w programie mikrokontrolera, liczba elementów zewnętrznych stanie się niewielka. A można to zrobić nawet na dwóch prostych układach cyfrowych:
Jeżeli nie wiemy, jaki regulator będzie lepszy w danym zastosowaniu, można wybrać urządzenie uniwersalne. Przełączanie trybu pracy (fazowy/grupowy) odbywa się zwykłym przyciskiem.
O czym warto pamiętać?
Pomiar napięcia na wyjściu takiego regulatora nie jest proste. Większość tanich multimetrów będzie wskazywała rzeczy nie mające związku z rzeczywistością, gdyż są przystosowane do pomiaru napięcia przemiennego o kształcie sinusoidalnym. Natomiast przebieg napięcia za regulatorem fazowym jest inny niż sinusoidalny, więc taki przyrząd ma prawo nie działać poprawnie. Potrzebny byłby woltomierz z funkcją mierzenia wartości skutecznej, tak zwana True RMS.
Dotyczy to również regulatora grupowego, choć w jego przypadku może to być jeszcze trudniejsze. Przyrząd może rejestrować pełne okresy i wskazywać wartość maksymalną lub nie mierzyć nic - i wtedy pokazywać zero. Do tego pomiaru najlepszy byłby oscyloskop.
Nie każde obciążenie będzie pracowało poprawnie, jeżeli zostanie zasilone z regulatora fazowego. Zwykłe żarówki (z żarnikiem) czy grzałki poradzą sobie doskonale, lecz elementy indukcyjne - zwłaszcza silniki - mogą mieć zdecydowanie niższą moc lub wręcz ulec uszkodzeniu.
Dotyczy to w szczególności popularnych, asynchronicznych silników klatkowych prądu przemiennego. Występują w wielu miejscach, głównie w wentylatorach. Najlepszy do ich sterowania byłby falownik, który wygeneruje napięcie o żądanej częstotliwości, lecz regulacja grupowa również daje sobie radę.
Należy jeszcze uściślić, że opisane wcześniej urządzenia są tak naprawdę regulatorami mocy. Dlatego nie zauważymy szczególnej różnicy w ich działaniu, jeżeli zostanie do nich podłączony silnik bez jakiegokolwiek obciążenia wału. Jego prędkość obrotowa zapewne będzie zbliżona do nominalnej, ponieważ do działania wystarczy mu naprawdę niewielka moc. Dopiero po dodaniu obciążenia, na przykład łopat wentylatora albo turbiny pompy, stanie się widoczne spowolnienie obrotów wywołane regulacją.
Dla napięcia stałego
Jeszcze inaczej działają regulatory przewidziane do pracy z napięciem stałym. Nie mamy tutaj do czynienia z jakimkolwiek przechodzeniem napięcia przez zero, więc tyrystory czy triaki okażą się bezużyteczne.
W tej dziedzinie najczęściej spotyka się PWM, czyli Pulse Width Modulation - modulację szzerokości impulsu. Na odbiornik trafiają impulsy o zmiennym wypełnieniu i stałej częstotliwości: 0% oznacza całkowite wyłączenie, a 100% całkowite załączenie. Mniejsze wypełnienie oznacza mniejszą wartość skuteczną takiego napięcia, czyli również mniejszą moc, a większe - większą.
Podobnie jak w przypadku sterowania grupowego i fazowego, tak i tutaj chodzi o uśrednienie napięcia trafiającego na zasilany odbiornik. Jeżeli przez 10% czasu jest ono załączone, zaś przez 90% wyłączone, to średnia moc wyniesie jedynie 10% maksymalnej. Po zwiększeniu wypełnienia do 50%, moc również wzrośnie do 50%.
Kwestia częstotliwości
Decydując się na regulację tego typu, należy mieć na uwadze częstotliwość kluczowania, czyli po prostu częstotliwość owego sygnału PWM. Niektóre rodzaje obciążeń, zwłaszcza silniki, mogą mieć dziwnie małą moc, jeżeli na ich zaciski trafi napięcie o zbyt wysokiej częstotliwości.
Z tego punktu widzenia najlepiej byłoby stosować możliwie niską częstotliwość sygnału PWM, lecz ma to dwie wady:
- uśrednianie może przebiegać zbyt słabo, staną się odczuwalne cykliczne szarpnięcia po każdym włączeniu oraz
- przełączanie może być słyszalne w postaci brzęczenia lub buczenia.
Dlatego, tak jak w wielu innych sytuacjach, tak i tutaj trzeba pójść na kompromis.
Co można kupić?
Na rynku jest mnóstwo regulatorów PWM. Od małych po większe, ze stałą częstotliwością kluczowania lub zmienną - każdy znajdzie coś dla siebie.
Podsumowanie
Regulatory napięcia różnią się budową oraz zasadą działania w zależności od tego, do jakiego rodzaju napięcia - przemiennego czy stałego - są przystosowane. Niezależnie od tego, jaki układ wybierzemy, należy pamiętać o tym, aby zasilany przez niego odbiornik miał moc mniejszą od maksymalnej mocy danego regulatora. Należy również zwrócić uwagę na napięcie - powinno znajdować się w przedziale obsługiwanym przez dany regulator.
NAPISZ DO AUTORA
Facebook
Twitter
Linkedin
Kup teraz
