|
Een universeel bruikbare schakeling voor het regelen van het opgenomen vermogen van 230 Vac belastingen tot 1.000 VA. De schakeling heeft een printschuifpotentiometer, werkt met fase aansnijding, heeft geen last van hysteresis en is voorzien van een ontstoorkring. |
De triac als onderdeel voor vermogensregeling
Wat is een triac?
Door gebruik te maken van een triac kunt u een netspanningsregeling voor allerlei soorten belastingen (verlichting, kacheltjes, kleine motoren) vrij eenvoudig zélf realiseren. Zoals u ongetwijfeld weet is een triac een elektronische wisselspanningsschakelaar. Sturing gebeurt door een stuurelektrode, gate genoemd. De schakelaar gaat open (de triac ontsteekt) als u in de gate een stroom met een bepaalde waarde stuurt, de ontsteekstroom. De beste sturing verkrijgt u als de polariteit van de gatespanning ten opzichte van kathode gelijk is aan de polariteit van de anodespanning ten opzichte van de kathode. Dus: anode positief, dan een positieve stroom in de gate. Als de triac ontstoken is, blijft hij geleiden, zelfs als u de gatestroom onderbreekt. Enige mogelijkheid om de halfgeleider te doven is de stroom die vloeit tussen anode en kathode onder een bepaalde waarde, de houdstroom, te laten dalen. Dit gebeurt als de netspanning door nul gaat. De stroom door de triac is dan nul en de schakelaar sluit. Een nieuwe stroompuls door de gate is nodig om de halfgeleider opnieuw te ontsteken.
Het principe van fase aansnijding
Een continu regeling van de netspanning met behulp van een triac is mogelijk door zogenaamde aansnijding van de sinusvormige netspanning. Dit wordt in onderstaande figuur verduidelijkt. In de bovenste grafiek ziet u het sinusvormige verloop van de netspanning. In voorbeeld a stuurt u de triac bij het begin van een sinus van de netspanning. De triac geleidt bijgevolg voortdurend en de gehele netspanning staat over de belasting. In voorbeeld c stuurt u de gate bij het naderen van de nuldoorgang van de netspanning. Slechts een klein deel van het totaal beschikbare vermogen wordt aan de belasting geleverd. Samengevat kunt u stellen, dat een continu regeling van de netspanning van 0 % tot 100 % mogelijk is door de gatespanning over 180° van de totale 360° van één periode van de netspanning te verschuiven. Dat verschuiven van het ontsteekmoment in de tijd noemt men fase aansnijding.
 |
| Het principe van vermogensregeling door middel van het aansnijden van de fase. (© 2017 Jos Verstraten) |
Volgende vraag is hoe die verschuiving in de tijd van de gatespanning zo eenvoudig mogelijk kan worden uitgevoerd. De wisselstroomtheorie komt hier te hulp. U weet dat een RC-kring, zoals in onderstaande figuur voorgesteld, een faseverschuiving van maximaal 90° veroorzaakt. Dit is fysisch als volgt te verklaren. Het opladen van een condensator via een weerstand vergt een bepaalde tijd. Als die spanning een gelijkspanning is, gebeurt die lading exponentieel. Na enige tijd is de condensatorspanning gelijk aan de gelijkspanning en is het systeem in rust. In het getekende voorbeeld is de laadspanning echter een wisselspanning, die dus sinusvormig van waarde verandert. De condensator C wil zijn spanning wel voortdurend aan de variërende sinus aanpassen, maar de laadweerstand R belet dit. Gevolg is dat de condensatorspanning voortdurend naijlt op de netspanning. Dat noemt met faseverschuiving. Op tijdstip A is de netspanning reeds nul, terwijl de condensatorspanning nog positief is. Op punt B is de netspanning maximaal negatief, maar is de condensator nog op weg naar die maximum waarde.
 |
| Een RC-netwerk zorgt voor een spanning waarvan de faseverschuiving regelbaar is. (© 2017 Jos Verstraten) |
Basisschema van een vermogensregeling
Dit leidt naar het eenvoudigste schema van de netspanningsregelaar met een triac, getekend in onderstaande figuur. R en C vormen het faseverschuivend netwerk. De condensator stuurt de gate van de triac, met tussenschakeling van een diac. Dit is een soort zenerdiode, maar met zenerwerking in beide richtingen. De diode spert, tot de spanning erover ongeveer 40 V is. Dan slaat de junctie door. Dit geldt zowel voor positieve als voor negatieve spanningen. Als R groot is, duurt het lang voor Vc de waarde +40 V heeft bereik, de diac doorslaat en de triac ontsteekt (punt 1). Als R klein is, bereikt de condensator snel de waarde van 40 V (punten 2 en 3), zodat de diac/triac-combinatie veel vroeger doorslaat. Er vloeit meer stroom door de belasting.
 |
| Het eenvoudigste schema van een triac vermogensregeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Helaas heeft deze eenvoudige schakeling één groot nadeel. Dit wordt verduidelijkt in bovenstaande figuur. In de eerste periode is de weerstand zo groot, dat de condensatorspanning net onder de noodzakelijke 40 V blijft. De combinatie diac/triac ontsteekt dus niet. De weerstand wordt vervolgens een fractie kleiner gemaakt, zodat gedurende de volgende periode de condensatorspanning wél 40 V wordt. De triac ontsteekt (punt 1). Voor het ontsteken van de triac is een flinke stroomstoot noodzakelijk. Deze stroom moet geleverd worden door de condensator C, zodat de spanning over dit onderdeel opeens iets daalt. Deze ontlading kan door de weerstand R niet meer gecompenseerd worden omdat de spanning over de triac, die gebruikt wordt om de condensator te laden, door het geleiden van de halfgeleider nul geworden is. Gevolg is dat de volgende ontsteekpunten vroeger optreden (punten 2 en 3) dan normaal verwacht kan worden.
Het praktische gevolg is dat het regelen van de belasting niet continu gebeurt. Dit is met name hinderlijk als u de schakeling gebruikt voor het besturen van een lamp. Vermindert u de waarde van de potentiometer R, dan ziet u de lamp plotseling zwak oplichten. Vanaf dit inschakelpunt verloopt de regeling wél continu tot 100%. Dit plotseling aanfloepen van de lamp is bekend onder de naam van hysteresisverschijnsel.
Verhelpen van de hysteresis
Een aanzienlijk betere regeling wordt verkregen met de schakeling van onderstaande figuur. Hier zijn twee RC-netwerken tussen netspanning en diac geschakeld. R1 en C2 vormen het reeds bekende faseverschuivend netwerk. Weerstand R2 heeft een relatief lage waarde en laadt C1 op. Zolang de ontsteekspanning van de diac niet is bereikt, zijn beide condensatorspanningen aan elkaar gelijk. Wordt R1 zo geregeld dat ontsteking optreedt, dan zal de spanning over C1 snel dalen door het leveren van stroom aan de triac. Zodra deze stroom kleiner wordt dan de houdstroom van de diac, spert deze laatste. De spanning over C1 wordt nu echter snel op de oorspronkelijke waarde hersteld uit de reservoircondensator C2.
 |
| Met twee extra onderdelen kunt u het hysteresisverschijnsel grotendeels onderdrukken. (© 2017 Jos Verstraten) |
Met de schakeling van onderstaande onderstaande figuur kunt u het hysteresisverschijnsel volledig elimineren. R1 en C1 vormen wederom de fasedraaiende kring. Vooropgesteld wordt dat de weerstanden R2 en R3 zo klein zijn als maar mogelijk is. De uitleg start bij de aanvang van de positieve cyclus van de netspanning. De spanning Vc over de condensator wordt nul verondersteld. Deze condensator kan enkel via R1 opladen. Inderdaad zorgt D1 ervoor, dat de stroom door R2 naar massa afvloeit. D2 spert bijgevolg. Door R3 vloeit geen stroom, de dioden D3 en D4 sperren immers. Op tijdstip A overschrijdt spanning Vc de 40 V ontsteekspanning van de diac. Het reeds beschreven proces ontwikkelt zich. Een forse stroomstoot ontlaadt C1 en ontsteekt de triac. Door de spanningsdaling over de condensator spert vervolgens de diac. Ondertussen is echter spanning Vt nul geworden, de triac geleidt immers. De condensator C1 gaat zich nu snel ontladen over de kleine weerstand R3, via diode D3. Als u weerstand R3 klein genoeg kiest, zal de condensator volledig ontladen zijn, vooraleer de netspanning op tijdstip B van polariteit wisselt.
Het hele proces herhaalt zich voor de negatieve cyclus. Duidelijk is dat nu geen sprake kan zijn van een hysteresisverschijnsel, daar het opladen van C1 via R1 steeds vanuit hetzelfde referentiepunt (volledig ontladen condensator) plaatsvindt. Met deze schakeling is dus een probleemloze regeling van 0% tot 100% mogelijk.
 |
| Het optimale schema van een vermogensregeling met fase aansnij besturing. (© 2017 Jos Verstraten) |
Helaas stuit het op praktische bezwaren R2 en R3 zeer klein te kiezen. Gedurende de positieve cyclus geleidt D1 zodat R2 de volledige netspanning te verwerken krijgt. Hetzelfde geldt voor R3 tijdens de negatieve cyclus. Als de weerstanden klein gekozen worden, neemt de dissipatie in die onderdelen ontoelaatbare waarden aan. Zeer corpulente weerstanden zijn dan nodig om de ontstane warmte af te leiden. Een compromis bestaat erin praktisch nog verwerkbare weerstanden te gebruiken en een zekere mate van hysteresis op de koop toe te nemen. Zolang die hysteresis valt in dat gebied van de spanningsregeling, waar de spanning te klein is om de lamp te laten oplichten, is dit verschijnsel niet hinderlijk.
Het praktische schema van de netspanningsregelaar
Nog wat extra's om te ontstoren
In onderstaande figuur is het uiteindelijke schema van de schakeling voorgesteld. Potentiometer R4 vormt met condensator C3 het faseverschuivend netwerk. Weerstand R3 begrenst de stroom door de diac/triac-combinatie als de potentiometer helemaal open staat. R5 zorgt ervoor dat het regelbereik gelijkmatig over de volle schuiflengte van de potentiometer wordt uitgesmeerd. Door voor R2 en R6 een waarde van 22 kΩ te kiezen, moet u een kleine, hoewel niet zichtbare hysteresis voor lief nemen, maar kunnen acceptabele 1 W weerstanden toegepast worden. De combinatie R1-C1-C2-L1 vormt het ontstoorfilter. Met de gebruikte 1 A spoel kunt u vermogens tot 250 W regelen. Is dat te weinig voor uw toepassing, dan vervangt u de spoel door een 2 A, 3 A of 4 A type, de waarde van moet echter 80 μH blijven. Het netwerk R7-C4 handhaaft de orde bij inductieve belastingen.
 |
| Het totale schema van een netspanningsregeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
De bouw van de schakeling
Levensbelangrijke opmerking
Allereerst maar een zeer belangrijke opmerking. Deze schakeling is rechtstreeks verbonden met de 230 V netspanning. Dat betekent dat alle punten van de print via een kleine weerstand met de fase van het net zijn verbonden. Aanraken van de print kan dus dodelijk zijn! Als u met een werkende schakeling wilt experimenteren, gebruik dan altijd een 1/1 scheidingstrafo, zodat de schakeling niet met de fase van het net is verbonden.
De print en de componentenopstelling
In onderstaande figuren ziet u de ontworpen print en de componentenopstelling. Door gebruik te maken van een schuifpotentiometer, die op de print gemonteerd wordt, is tegemoet gekomen aan de op dit gebied heersende modetrend. Om het heel erg mooi te maken is de triac gemonteerd op een SK09 koellichaam. Noodzakelijk is dit niet, de dissipatie in de halfgeleider is zo klein, dat een klein omgezet aluminium plaatje in principe ook volstaat.
 |
| Het printontwerp van de netspanningsregeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
 |
| De componentenopstelling van de netspanningsregeling. (© 2017 Jos Verstraten) |
Bij de meeste schakelingen maakt het niet uit wat voor soort condensatoren of weerstanden u op de print soldeert. Maar hier staat over diverse condensatoren de volledige netspanning en moet u speciale condensatoren toepassen, die tegen deze spanning kunnen. Ook twee weerstanden vereisen speciale aandacht. Het gaat hierbij over de volgende onderdelen:
- Weerstand R2 = 22 kΩ, 1 W
- Weerstand R6 = 22 kΩ, 1 W
- Condensator C1 = 47 nF 250 V
- Condensator C2 = 100 nF, 400 V
- Condensator C3 = 680 nF, 250 V
- Condensator C4 = 47 nF, 400 V
De bouw van de schakeling
Inbouw in een TEKO model 3B kastje is mogelijk. Het printje kan met 4 schroefjes en 20 mm lange afstandsbusjes onder de frontplaat gemonteerd worden, nadat u eerst met een figuurzaag een gleuf van 4 mm x 65 mm voor de potentiometer hebt gezaagd. De aansluitingen worden door een gat, voorzien van een rubber doorvoertule in de achterzijde van het kastje, naar buiten gevoerd.
Arduino in control
