Стабилизатор напряжения сетевого паяльника

Автор: terio007
Опубликовано 26.05.2015
Создано при помощи КотоРед.

Введение и краткий анализ.

Количество статей в радиолюбительских журналах, посвящённых регулированию температуры жала пальника, работающего от сети, огромно.
Если даже отложить в сторону просто регуляторы напряжения на паяльнике, выполненные на ЛАТРах, реостатах, всевозможных тиристорных, симисторных фазовых регуляторах и т.п.,то останется большое количество схем, которые позволяют не только регулировать уровень температуры жала паяльника, но и стабилизировать этот уровень, вне зависимости от колебаний сетевого напряжения.
Однако на деле большинство схем стабилизации используют либо датчик температуры (что неудобно конструктивно), либо изменение сопротивления спирали паяльника при нагреве (что требует индивидуальной подстройки схемы под новый паяльник).
Наиболее оригинальный способ удалось обнаружить в (Л1).
К концу жала паяльника, находящегося в нагревателе, приварен наконечник из железно – никелевого сплава. Этот сплав имееет магнитные свойства, но только до нагрева до определённой температуры (точки Кюри). После нагрева до этой температуры сплав становится немагнитным, после остывания на несколько градусов – снова прекрасно магнитится. Осталось только разместить в ручке паяльника нехитрую конструкцию из магнита, подпружиненного стерженька и микровыключателя. При включении паяльника в сеть магнит притянут к сплаву, слегка растянув пружину и замкнув микровыключателем цепь подогрева паяльника. По достижении рабочей температуры жала, сплав становится немагнитным, пружина сжимается, цепь питания нагревателя выключается.
Итак, температура жала будет колебаться возле точки Кюри. Единственный недостаток данной конструкции – изменить температуру жала можно лишь путём замены жала на новое, имеющее наконечник из сплава с новой точкой Кюри.
Некоторые попытки стабилизировать напряжение на паяльнике в значительной мере девальвируются попыткой просто ограничивать переменное напряжение сети, питающее паяльник. Например конструкция (Л2).
Что делать радиолюбителю с таким стабилизатором паяльника на 220V, когда напряжение сети упадёт до разрешённых ГОСТом 198V, или часто бывающих реально 180V, автор не говорит.
И действительно, для возможности стабилизации при пониженном напряжении сети такой схемой, необходимо использовать паяльник с номинальным напряжением скажем 180V.
Но такой пальник надо изготовить самому и не пытаться по забывчивости работать с ним напрямую от сети 220V.
Или надо подключать данный стабилизатор к сети через вольтдобавочный автотрансформатор. Что неудобно и недёшево.
Не говоря уже о грубейших ошибках автора (Л2): использовании МОС 3063 в качестве самостоятельного оптосимистора (что запрещено изготовителем) и заявлении предельно допустимого тока оптосимистора этой оптопары в 1А, что позволяет якобы работать с паяльником мощностью до 100W.
МОС 3063 действительно имеет импульсный ток до 1А, но не более 100 микросекунд…
Что касается номинального тока МОС 3063, то его просто нет, изготовитель не приводит этот параметр по причине того, что разрабатывал линейку оптосимисторов МОС только как коммутатор другого, мощного симистора.

Решение.
Анализируя схемотехнические варианты решения вопроса стабилизации напряжения питания паяльника , автор решил о неизбежности введения в схему выпрямительного моста и конденсатора .
Как известно, пиковое напряжение сети в 1,41 раза выше эффективного напряжения. Значит, используя напряжение конденсатора можно, даже с учётом разрядки конденсатора рабочим током паяльника, получить резерв по напряжению в 30 - 35 %.
Что касается вида напряжения - переменное или постоянное, то паяльнику всё равно.
Однако далее варианты стабилизатора вырисовывались неважные.
Собственно таких варианта было два: стабилизатор линейный либо импульсный.
Линейный стабилизатор смутил необходимостью большого радиатора и низким КПД.
Импульсный с ШИМ всё же довольно сложен конструктивно, в основном по причине необходимости изготовления высоковольтного трансформатора.
И тут на память пришло довольно старое решение по ограничению напряжения на нагрузке.
Вариант этого решения можно посмотреть в (Л3) - в качестве ограничителя напряжения входного конденсатора для импульсного стабилизатора.
Таким образом возникло решение стабилизировать напряжение путём остановки заряда конденсатора питания паяльника в момент достижения сетевой синусоидой мгновенного значения напряжения, выбранного радиолюбителем.
Конденсатор, заряженный до желаемого значения, будет питать паяльник и с чостотой в 100 Гц подзаряжаться от сети.
Колебания напряжения сети таким образом не окажут влияния на напряжение конденсатора питания паяльника.

                                                                                                  Рис 1

Назначение элементов принципиальной схемы (Рис.1):
предохранитель FU1 совместно с варистором RU1 служат для защиты стабилизатора от аномального повышения сетевого напряжения, например при разрыве ноля сети и возникновении перекоса фаз;
R1 ограничивает зарядный ток C2 как при при первичной зарядке во время включения, так и при периодической подзарядке во время работы, кроме того совместно с С1 он образует входной фильтр ;
HL1 с токоограничивающим R2 индицируют наличие сетевого напряжения ;
диодный мост VD1 - VD4 выпрямляет напряжение сети ;
цепочка R3, R4 ,R5 определяет напряжение открытия VT1 и соответственно закрытия VT2 ;
VD5 повышает порог открытия VT1 до примерно 1В, тем самым уменьшая температурную нестабильность схемы ;
R7 и VD6 образуют источник питания +12V для открытия затвора VT2 ;
R6 образует гальваническую связь затвора VT2 с истоком для более надёжной работы ;
R8 гасит паразитные колебания напряжения на затворе VT2 при перезаряде входной ёмкости транзистора ;
HL2 с токоограничивающим R9 индицируют наличие напряжения питания паяльника ;
конденсатор С2 является источником питания для паяльника.

Работа устройства.
При включении устройства в сеть, если мгновеннное напряжение сети менее установленнного переменным резистором R3 порога открывания VT1 , транзистор VT1 закрыт, транзистор VT2 открывается и начинается заряд С2 до установленного R3 значения выходного напряжения.
После чего VT2 закрывается и паяльник питается от заряженного конденсатора С2.
Если мгновенное напряжение сети в момент включения будет выше установленнного переменным резистором R3 порога открывания VT1, то VT1 откроется и тем самым заблокирует открытие VT2.
После снижения мгновенного напряжения сети до установленного уровня произойдёт закрытие VT1 и открытие VT2.
В следущем полупериоде С2 дозарядится до установленного значения.
В дальнейшем С2 периодически, с частотой 100 Гц подзаряжается короткими импульсами тока до установленного значения выходного напряжения.
Стабилизатор обеспечивает стабильное напряжении питания паяльника в диапазоне 190 V – 240V при колебаниях напряжения сети от 180V до 250V. Суммарные потери мощности на элементах схемы не превышают 5W, КПД стабилизатора для паяльника мощностью 25W составляет КПД=(25/25+5)100=83%.
Представляет интерес выбор номинала и мощности резистора R1. Необходимость его введения диктуется предельным импульсным током полевого транзистора КП707Б:16,5А.
Включение стабилизатора в сеть может произойти при мгновенном напряжении сети, близком к выставленному значению выходного напряжения и значит начальный ток заряда С2 может составить I=U/R=240/30=8А.Таким образом выбор номинала 30Ω обеспечивает двойной запас по импульсному току коммутирующего транзистора. При работе с паяльником мощностью 25W импульс тока подзарядки С2, выделенный в виде напряжения на R1, изображён на (Рис.3).

                                                                                                 Рис 3

Видно, что за время 1,2ms ток почти линейно вырос от 0 до Iмах=U/R=40/30=1,33А. Мощность, выделившиеся на резисторе за время импульса тока составит Римп.= (Iмах²R)/2= (1,33² 30)/2=27W. Средняя мощность за полупериод Рср.=(Римп.1,2ms) / 10ms=(271,2) / 10=3,2W. Таким образом необходим резистор мощностью 5W. Резистор прогревается до 80-90˚С, поэтому размещайте его подальше от VT1 для большей термостабильности устройства.
Что касается мощности, выделяющейся на VT2, то она не превышает Римп.= (Iмах² Rси)/2=(1,33² 2)2=1,8W, (где Rси=2Ω - сопротивление открытого канала сток-исток КП707Б) , или средняя мощность Рср.=(Римп.1,2ms) / 10ms=1,8 1,2/10=0,22W.
Таким образом VT2 можно использовать без радиатора.

Возможные замены элементов.
VD1 - VD4 любые с номинальным током не менее 0,5А и обратным напряжением не менее 600V.
VD5 любой кремниевый маломощный.
VD6 - любой стабилитрон на 10-15V.
VT1 любой маломощный NPN транзистор с возможно большим коэффициентом усиления по току.
VT2 можно заменить на КП707 с любой буквой и IRF730, IRF840, IXFH/IXFT 30N50, IXFH/IXFT 32N50 и другие, с напряжением сток-исток не менее 400V и сопротивлением канала Rси не более 2…3Ω.
Индикаторы HL1, HL2 – любые неоновые малогабаритные.
Резистор R1 проволочный, мощностью не менее 5W.
Переменный резистор R3 мощностью не менее 0,125W, с линейной характеристикой.
Варистор RU1 должен иметь порог включения ~ 275V .

Настройка и регулировка.
Правильно собранная схема заработает сразу.
Остаётся при включенном паяльнике повращать переменный резистор, замеряя вольтметром постоянное напряжение на выходе стабилизатора, и нанести соответствующие метки на корпус устройства вокруг ручки R3.
Поскольку температурная нестабильность устройства при прогреве VT1 на 30˚С достигает 4%, был разработан вариант схемы с использованием вместо VT1 и VD5 термостабильного параллельного стабилизатора TL431 (Рис.2).
Схема идентична выше рассмотренной, но имеет более чем на порядок лучшую термостабильность. С учётом возросшего с 1V до 2,5V опорного напряжения, изменены номиналы резисторов R4 и R5 (Рис.2).
Никаких особенностей в настройке по сравнению со схемой на Рис.1 нет.
При желании расширить или сузить диапазон регулировки выходного напряжения необходимо будет подобрать резисторы R3, R4 в схеме Рис.1 и R4, R5 в схеме Рис.2.

                                                                                                                             Рис 2

Конструкция.
Конструктивно стабилизатор выполнен на небольшой макетной плате и помещён в пластмассовый корпус.
На верхнюю крышку корпуса выведены оба индикатора и ручка переменного резистора, на боковые поверхности выведены входной шнур с вилкой, крышка держателя предохранителя и выходная розетка для включения вилки шнура паяльника.
Ручка резистора R3 имеет указатель, а на корпус нанесены риски с значениями выходного напряжения.
Ввиду предельной простоты конструкции печатная плата не разрабатывалась.
Данная конструкция (Рис.1) используется автором уже около года без нареканий.

Внимание: все элементы конструкции имеют гальваническую связь с сетью!
При настройке конструкции необходимо принимать все меры предосторожности работы с напряжением сети!
Ручка переменного резистора R3 должна быть пластмассовой или иметь пластмассовую насадку!

Л1 – журнал «Радио», №1, 1978г, стр.58, «Паяльник со стабильной температурой жала».
Л2 – журнал «Радио», №10, 2014г, стр.33, «Стабилизатор температуры жала паяьника»
Л3 – Todor Arsenov. Use a TL431 shunt regulator to limit high ac input voltage. - EDN Network. October 25, 2007 //
https://www.edn.com/design/analog/4314709/Use-a-TL431-shunt-regulator-to-limit-high-ac-input-voltage;
https://m.eet.com/media/1127013/11901-figure_1.pdf

PS. Конечно логично задать вопросы о возможности применения с данным стабилизатором паяльников мощности более 25W.
Путь очевиден – уменьшение номинала R1 и использование транзистора VT2 с большим импульсным током и меньшим сопротивлением сток-исток.
Однако возможно и схемотехническое решение, полностью устраняющее необходимость использования R1.
Автор заканчивает работу над этим решением и в случае удачного испытания практической конструкции непременно поведает о ней городу и миру .

Все вопросы в Форум.