Фазовый регулятор мощности на ключевом полевом транзисторе

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 канапе.
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 IRFS40 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 относитсительно 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 полодитепьного 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 Шмита, а остальные элементы D1.3-D1.6 образуют умощнённый 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 создающую постоянное напряжение между выводами 7 и 14 микросхемы, и часть представляющую собой датчик фазы сетевого напряжения. 

Схема Фазовый регулятор мощности на ключевом полевом транзисторе

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 400W. 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.
Капачев Д.Е.