Triakový regulátor

Triakový regulátor pre fázové riadenie, troška zložitejší ako obvykle, hádam aj troška lepší.
titulny

Potreboval som riadiť výkon výhrevného telesa, pričom som chcel použiť fázové riadenie. Jednalo so však o náhradu pôvodného regulátora v zariadení, z čoho vyplývalo, že potenciometer nemožno zmeniť a vzhľadom na jeho parametre, nebolo možné použiť klasické zapojenie typu „RC článok, diak, triak“.
Začal som teda hľadať nejaké iné schémy, jednu som síce našiel (po dlhom pátraní), ale ani tá nevyhovovala mojim predstavám. Vyrábali sa aj integrované budiče triakov (napr. MAA436, U2008B), dnes sa ešte dá zohnať TCA785, ale aj ten je dosť veľký (DIP16) a drahý. Takže som si nakoniec navrhol vlastné zapojenie.

Základná myšlienka

Pre návrh obvodu som mal daný potenciometer 100 kΩ, s neznámym max výkonovým zaťažením (v katalógoch bol pri podobne vyzerajúcich potenciometroch písaný Pmax 50 mW), takže potenciometer nemohol byť namáhaný vysokým napätím. Z toho vyplynulo, že bude nutné navrhnúť obvod tak, aby bol uhol otvorenia triaku riadený napätím na potenciometri, nie jeho odporom.
Vzhľadom na vlastnosti triakov je vhodné používať ich len v 1., 2. a 3. kvadrante, z čoho vyplynulo, že obvod bude napájaný záporným napätím.

Princíp činnosti

Regulátor funguje takto: je vytvárané pílovité napätie, ktoré je synchronizované so sieťovým napätím, komparátor ho porovnáva s napätím z potenciometra, ktoré stanovuje okamih kedy sa má triak otvoriť (teda uhol otvorenia triaku). Takto vznikne obdĺžnikový signál. Z neho sú následne pomocou derivačného článku vytvorené krátke impulzy spínajúce triak.
Schéma zapojenia regulátora je takáto:


schema zapojenia

Súčiastky T1 – T3, R1 – R4 tvoria detektor prechodu sieťového napätia nulou. Súčiastky C1, R5 a T4 vytvárajú pílovitý signál, ktorý je privedený do komparátora IO1A. Obdĺžnikový signál z komparátora je ďalej pomocou R8, C3, D1 a R9 upravený na krátke impulzy, ktoré otvárajú tranzistor T5, ktorý privedie do hradla triaku spínací impulz. Krajné hodnoty napätia z potenciometra sú posunuté pomocou R7 a R6 tak, aby aj pri nastavení max výkonu (uhla otvorenia triaku) zaručene došlo k vytvoreniu budiaceho impulzu a aby sa dal spotrebič vypnúť, ale až tesne pri začiatku dráhy potenciometra. Súčiastky R11, D2, D3 a C4 zabezpečujú napájanie pre obvod.

Na nasledujúcich obrázkoch je pílovitý signál a napätie na kolektore T5 (budiace impulzy) a detail impulzu.


pila a budiace impulzy
detail impulzu

Na ďalších obrázkoch je ukážka priebehov pri postupnom zvyšovaní výkonu spotrebiča (píla, budiace impulzy, napätie na A2 triaku, prúd spotrebičom).


priebehy (trosku vykonu)
priebehy (viacej vykonu)
priebehy (naplno)

A ešte fotky osadeného plošáku:


hotovy plosak
hotovy plosak


Zhodnotenie

Regulátor pracuje stabilne, nevznikajú chybné budiace impulzy. Je navrhnutý tak, aby nebolo potrebné nič dolaďovať trimrom a fungoval spoľahlivo aj pri nastavení na max výkon a tiež aby sa spotrebič dal vypnúť.
Nedostatkom je nelineárne riadenie príkonu spotrebiča vzhľadom na polohu potenciometra, keďže je lineárne riadený uhol otvorenia triaku. To je bežná vlastnosť regulátorov pre fázovú reguláciu.
Vzhľadom na to, že regulátor je ovládaný napätím, je možné ovládať ho aj iným zdrojom napätia ako potenciometrom, napr. z ďalšieho obvodu (v regulačnom obvode so spätnou väzbou).

Poznámky k úpravám zapojenia

Tento regulátor je navrhnutý pre riadenie výhrevného telesa s príkonom 2 kW a sieťové napätie 230 V. Budiace impulzy sú široké asi 75 µs, prúd do triaku je nastavený na 16 mA. Dobre pracoval so záťažami odoberajúcimi aspoň 1 A (efektívny, teda spotrebič s menovitým príkonom 230 W), pre použitie so záťažou s menším príkonom treba predĺžiť budiace impulzy pre triak výmenou C3 za 4,7 nF. Prispôsobenie pre iné napätie ako 230 V~ je len otázkou zmeny R1 a R11 (pozor na max dovolené pracovné napätie týchto rezistorov).
Použil som triak z radu E, čiže s malým IGT aby som minimalizoval spotrebu, ale je možné použiť aj triak zo základného radu (bez doplnkového písmena), vtedy bude vhodné zvýšiť budiaci prúd pre triak zmenou R10.
Komparátor LM293 je použitý kvôli potrebe väčšieho rozsahu pracovných teplôt, pre izbové teploty bude použiteľný aj LM393, s LM2903 bude obvod fungovať tiež.
Keby sme chceli tento regulátor použiť na ovládanie motora, bude vhodné použiť 800 voltový triak, doplnenie o komutačnú ochranu tiež neuškodí. Avšak kvôli fázovému posunu prúdu voči napätiu sa dá čakať, že to nebude fungovať úplne hladko, ale to by sa dalo vyriešiť doladením krajných napätí potenciometra (R6 a R7).

V sekcii Na stiahnutie nájdete schému vo väčšom rozlíšení a vo formáte Eagle.