Приведены схемы нескольких коммутирующих устройств, позволяющих плавно и практически без потерь наращивать или снижать потребляемую мощность в активной нагрузке при ее включении или отключении. Минимальные потери и плавность включения или отключения обусловлены использованием плавающей во времени ширине цифровых сигналов, поступающих на вход ключевых элементов, управляющих нагрузкой. Приведены также схемы устройств, позволяющих плавно и без потерь периодически перераспределять мощность между двумя нагрузками.

Хорошо известно, что срок службы нагревательных приборов, ламп накаливания, тела накала мощных генераторных и усилительных радиоламп определяется условиями подачи на них питающего напряжения. Мгновенная подача напряжения питания сопровождается мощным тепловым ударом тела накаливания, вызывает его механическую деформацию и, порой, разрушение. Многократные ударные циклы деформации тела накала при включении и отключении ламп способствуют образованию и росту многочисленных центров концентрации механических напряжений; срок службы изделия существенно сокращается.

Долговечность работы таких изделий определяется совсем не продолжительностью их работы в стационарных условиях, а, в большей степени, количеством циклов механических напряжений, возникающих при коммутации электрического тока.

До настоящего времени остается проблематичным вопрос плавного наращивания мощности, выделяемой в активной нагрузке с минимальными потерями. Чаще всего в этих целях используют обычные реостаты или управляемые элементы, работающие в аналоговом режиме (транзисторы). Очевидно, что коэффициент полезного действия преобразования электрической энергии в тепловую или световую, тем более, с учетом потерь на элементах регулирования, весьма невелик. Использование современных цифровых методов управления энерговыделением в нагрузке предусматривает применение программируемых источников с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Коэффициент заполнения импульсов, подаваемых на вход коммутирующего элемента – полевого или биполярного транзистора, должен плавно повышаться от 0 до 100% при включении и обратно – при выключении.

В настоящей статье предложено простое решение задачи плавного изменения во времени коэффициента заполнения импульсов, поступающих на коммутирующий элемент. Базовым элементом представленных устройств является псевдомикросхема 222, описание которой приводилось в предшествующих публикациях [1–4].

На Рисунке 1 показана схема плавного включения или отключения ламп накаливания с использованием широтно-импульсно модулированных сигналов. Саму микросхему 222, Рисунок 1, несложно воспроизвести из широко распространенных компараторов и нескольких резисторов. Разумеется, приведенные ниже схемы можно было бы представить в полном объеме, не прибегая к использованию графического представления микросхемы 222, однако они потеряли бы простоту и наглядность.

Рисунок 1.	Устройство плавного включения и отключения активной нагрузки на микросхеме 222, а также эквивалентная схема этой микросхемы.

Вернемся к описанию схемы. Резистор R1 и конденсатор C1 задают рабочую частоту генератора импульсов. Частота генерации равна 1 кГц и не меняется как при изменении длительности выходных сигналов, так и при изменении напряжения питания. На вход управления (вывод 5 микросхемы) подается сигнал с времязарядной цепочки R2, C2. Постоянная времени этой цепочки определяет время, в течение которого происходит рост или спад мощности, выделяемой в нагрузке. С вывода 4 микросхемы импульсы прямоугольной формы с изменяемым коэффициентом заполнения поступают на затвор транзистора VT1, нагрузкой которого является, для примера, лампа накаливания EL1.

Для включения или отключения нагрузки (лампы накаливания EL1) использован переключатель SA1. Диод VD1 предназначен для разряда конденсатора C2 при отключении источника питания.

При переводе переключателя SA1 в положение ON напряжение на конденсаторе C2 начинает плавно возрастать, Рисунок 2. Напомним, что на выходе микросхемы DA1 222 (вывод 4) узкие импульсы прямоугольной формы начинают появляться при напряжении на управляющем входе 5 выше 1/3 от напряжения питания. Коэффициент заполнения импульсов с ростом этого напряжения от 1/3 до 0.6 от напряжения питания растет от 0 до 100%. Соответственно, происходит плавный разогрев тела накала лампы.

При переводе переключателя SA1 в положение OFF происходит обратный процесс: конденсатор C2 разряжается на резистор R2; напряжение на нем плавно снижается, так же плавно гаснет лампа EL1, Рисунок 2.

Рисунок 2.	Динамика электрических процессов на конденсаторе C2 и на стоке силового транзистора VT1 при включении и отключении нагрузки.

Особенностью устройства, Рисунки 1 и 2, является наличие паузы до начала подачи управляющих импульсов на затвор транзистора VT1, что обусловлено начальной стадией заряда конденсатора C2 от 0 до 1/3 от напряжения питания.

Обратная ситуация наблюдается при переводе переключателя SA1 в положение OFF. Пауза с начала момента начала отключения нагрузки происходит за счет разряда предварительно заряженного конденсатора C2 до напряжения, равного 0.6 от напряжения питания.

На Рисунке 3 приведена схема устройства аналогичного назначения, в котором минимизировано время начала включения нагрузки (лампы накаливания EL1). Задача решается за счет подачи начального напряжения на нижнюю обкладку конденсатора C2. Это напряжение снимается со стабилитрона VD2, напряжение стабилизации которого определяет задержку времени подачи управляющих напряжений на затвор транзистора VT1.

Рисунок 3.	Коммутатор нагрузки с компенсацией времени запаздывания подачи управляющих импульсов при включении устройства.

Исключить времена задержки включения и отключения нагрузки можно также за счет использования резистивного делителя, Рисунок 4а. Резистивный делитель позволяет автоматически самонастраивать диапазоны изменения ширины управляющих импульсов от 0 до 100% при изменении напряжения питания устройства. Плавно регулировать соотношение времен включения и отключения нагрузки позволяют модификации зарядно-разрядных схем, Рисунки 4б и 4в.

Рисунок 4.	Варианты схем компенсации запаздывания и регулировки времен подачи и отключения управляющих импульсов: а) симметричная; б) раздельная; в) перераспределяемая.

К стоку транзистора VT1 для расширения функциональных возможностей устройства может быть подключен второй элемент коммутации – транзистор VT2, нагрузкой которого является лампа накаливания EL2. Эта лампа накаливания, разумеется, работает в момент включения устройства в неоптимальном режиме, поскольку на нее подается полное напряжение питания.

Рисунок 5.	Коммутатор нагрузки с периодическим плавным нарастанием свечения и последующим угасанием ламп накаливания.

Устройства, показанные на Рисунках 5 и 6, предназначены для периодического плавного включения и отключения нагрузки (лампы накаливания EL1). Оба устройства выполнены на двух микросхемах 222, которые можно заменить всего одной микросхемой, содержащей четыре компаратора, например, LM339.

Рисунок 6.	Вариант коммутатора с поочередным плавным периодическим включением и отключением нагрузки.

В первом из устройств, Рисунок 5, микросхема DA1, как и ранее, вырабатывает сигналы прямоугольной формы с переменным коэффициентом заполнения импульсов частотой 1 кГц. Управляющее напряжение на конденсатор C2 подается через резистор R2 с выхода второго генератора импульсов, выполненного на микросхеме DA2. Генератор этой микросхемы работает на частоте порядка единиц или долей Гц, определяемой постоянной времени R3C3.

С вывода 4 микросхемы DA2 снимаются прямоугольные импульсы низкой частоты, которые периодически заряжают и разряжают конденсатор C2, управляя тем самым шириной сигналов частотой 1 кГц, подаваемых на затвор транзистора VT1. Соотношение резисторов R4/R5 определяет коэффициент заполнения импульсов низкой частоты.

На Рисунке 6 показана модификация схемы плавного периодического ШИМ-включения и отключения нагрузки. Для этого управляющий сигнал пилообразной формы снимается с RC-времязадающей цепочки генератора импульсов на микросхеме DA2.

Коммутаторы нагрузки могут работать и в области более высоких напряжений, вплоть до 36 В (определяется свойствами используемых компараторов). Саму нагрузку можно питать от источника отдельного напряжения, максимальная величина которого определяется свойствами коммутирующего элемента – выходного транзистора.

1. Шустов М.А. Микросхема 222 – альтернатива 555. ШИМ-генератор с независимой регулировкой частоты. РадиоЛоцман. 2021. № 9–10. С. 92–103.
2. Шустов М.А. Силовая электроника в электропитании и освещении. От азов до создания практических устройств. СПб.: Наука и Техника, 2024. 560 с.
3. Шустов М.А. Цифровая схемотехника от азов до создания практических устройств. СПб.: Наука и Техника, 2024. 560 с.
4. Shustov M.A. O circuito integrado 222 – substituto do temporizador 555 (ART5552). INCB. 15 janeiro 2025.