Побуждением к разработке этого простого регулятора напряжения послужила необходимость создать регулируемый лабораторный источник питания, способный работать в широком интервале тока нагрузки (от нуля до максимально допустимого). Широко используемый в регулируемых импульсных источниках способ ШИМ в таких условиях не подходит. Поэтому я остановился на фазовом методе регулирования с использованием питающего пременного напряжения 220 В. В качестве регулирующего элемента выбран мощный полевой транзистор с МОП-структурой, работающий в режиме электронного ключа. Нагрузка подключается к сети через диодный мост и электронный ключ. Если ключ постоянно замкнут, на нагрузку действуют однополярные синусоидальные полуволны сетевого напряжения (обычное двуполупериодное выпрямление с помощью диодного моста). В действительности ключ управляется импульсами, длительность которых может изменяться, а начало привязано к моменту перехода сетевого напряжения через ноль. Таким образом, если изменять длительность управляющих импульсов в интервале от нуля до четверти периода сетевого напряжения (0...5 мс), можно регулировать максимум напряжения на нагрузке в пределах 0...310 В. Понятно, что форма напряжения на нагрузке будет импульсная с частотой 100 Гц. Но важно, что амплитуда импульсов не будет превышать заданную величину. Если зашунтировать нагрузку конденсатором большой ёмкости, можно добиться на ней практически постоянного напряжения, величину которого можно легко изменять путём выбора длительности импульсов, управляющих электронным ключём.
На рисунке показана электрическая схема регулятора. Переменное напряжение сети преобразуется диодным мостом VDS в однополярные синусоидальные полуволны и через электронный ключ на полевом транзисторе VT1 и диод VD1 подаётся на нагрузку Rн. Управление электронным ключом осуществляет фазовый широтно-импульсный модулятор (ФШИМ), собранный на мокросхеме К561ЛА7. Первые два элемента этой микросхемы представляют собой ждущий мультивибратор с регулируемой длительностью импульсов, а второй и третий элементы являются запараллеленными буферными инверторами, с которых сформированные управляющие импульсы подаются через резистор R1 на затвор транзистора VT1.
Напряжение питания микросхемы формируется делителем напряжения, состоящим из резистора R6 и стабилитрона VD2, с которого оно поступает на выводы микросхемы 7 и 14. Конденсатор C3, шунтирующий стабилитрон, сглаживает пульсации напряжения питания микросхемы.
Запуск ФШИМ осуществляется через делитель напряжения на резисторах R5, R4 в моменты времени, близкие к переходу сетевого напряжения через ноль. Время открытого состояния ключа определяется постоянной времени RC-цепи, образованной резисторами R2+R3 и конденсатором C2. Регулировка длительности импульса, управляющего ключём, а, следовательно, и выходного напряжения на нагрузке, осуществляется переменным резистором R3.Чем больше его сопротивление, тем больше длительность управляющего импулься и больше напряжение на нагрузке. В режиме короткого замыкания R3 минимальная длительность импульса (величина минимального выходного напряжения) определяется резистором R2. При указанных номиналах этих резисторов получается более, чем десятикратное перекрытие в изменении выходного напряжения.
Если регулятор предполагается использовать с активной нагрузкой (лампа накаливания, паяльник и пр.), диод VD1 может быть из схемы исключён. При работе регулятора на ёмкостную нагрузку этот диод должен в схеме присутствовать для устранения обратной реакции накопленного на нагрузочной ёмкости напряжения на работу электронного ключа. Диод должен быть рассчитан на обратное напряжение не менее 400 В и ток не менее, чем с двукратным запасом по отношению к току в нагрузке. Быстродействие диода не играет существенной роли.
Амплитуда импульсов, поступающих на затвор транзистора VT1, не должна быть менее 10 В в целях достижения минимального сопротивления открытого электронного ключа. Поэтому стабилитрон VD2, определяющий напряжение питания микросхемы, следует выбирать с напряжением стабилизации, лежащим в пределах 10...15 В. Электролит C3, шунтирующий цепь питания микросхемы, может иметь ёмкость в интервале 10...100 мкФ с допустимым напряжением не менее 16 В.
Помимо микросхемы К561ЛА7 в схеме можно использовать без каких-либо в ней изменений и микросхему К561ТЛ1 (триггеры Шмитта).
Описанный фазовый регулятор не трудно перевести из ручного регулирования в электронное. Для этого переменный резистор R3 можно заменить на транзисторный оптрон или управляющий источник напряжения.
При использовании оптрона фототранзистор включается вместо резистора R3, причём, эмиттер соединяется с общим проводом. Увеличение тока через светодиод приводит к уменьшению длительности импульса, вырабатываемого мультивибратором, т.е. к уменьшению напряжения на нагрузке. С целью уменьшения управляющего тока на входе оптрона, ёмкость времязадающего конденсатора C2 следует уменьшить в 10...50 раз.
При использовании управляющего источника напряжение на его выходе может изменяться в интервале 0...0,4Uст (при использовании К561ТЛ1), где Uст - напряжение стабилизации стабилитрона VD2. При нулевом напряжении на выходе управляющего источника длительность импульса, вырабатываемого мультивибратором, будет минимальна и минимальным будет напряжение на нагрузке регулятора. При максимальном напряжении на выходе управляющего источника максимальным будет и напряжение на нагрузке.
Применение электронного регулирования позволяет построить стабилизированный источник питания посредством создания обратной связи между напряжением на нагрузке и оптроном (управляющим источником).