Навигация: => 

СТАБИЛИЗАТОР С МИКРОКОНТРОЛЛЕРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Годин Алексей Валерьевич 

Схема, режимы работы устройства

Схема стабилизатора

Стабилизатор работает по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т2 с помощью симисторных ключей Q1...Q6 под управлением микроконтроллера (МК), следящего за уровнем напряжения в сети. После включения автомата QF1 напряжение сети поступает на трансформатор Т1 и микроконтроллер начинает работать по заданной программе.

Загорается подсветка дисплея и спустя 3 секунды на дисплее появляется надпись “ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ” (рис. 2). Последующие 7 секунд микропроцессор анализирует напряжение сети, и если оно находится в пределах 120...270В, в зависимости от результатов измерения открывает один из симисторов VS1...VS6, тем самым подключая один из шести отводов автотрансформатора.

Нагрузка подключается к пятому (снизу по схеме) отводу автотрансформатора через автоматический выключатель QF1, который служит для ограничения мощности потребления. При этом два “внутренних” вольтметра индуцируют в верхней строке ЖК дисплея действующее напряжение в сети, а в нижней строке напряжение на нагрузке (рис. 3).

Если напряжение ниже 120В или выше 270В, нагрузка обесточивается. На дисплее в этот момент в верхней строке индуцируется действующее напряжение сети, а в нижней строке мигает надпись “РЕЖИМ ЗАЩИТЫ” (рис. 4).

Рис.2	Рис.3	Рис.4

Как только напряжение войдет в диапазон 120...270В, нагрузка вновь будет подключена.

В случае пропадания напряжения сети и последующего появления, микропроцессор автоматически перезагружается и через 10 секунд вновь подключает нагрузку.

Гальваническая развязка симисторов с МК осуществляется оптопарами U1...U6. В процессе регулирования открывающий импульс снимается с включенного симистора и подается на другой симистор в момент перехода синусоиды через “0”, исключающая тем самым “токовые удары” в обмотках и симисторах. Это достигается за счет того, что за 1 период синусоиды микроконтроллер измеряет состояние амплитуды сетевого напряжения 100 раз! Осциллограмма этого процесса приведена на рис. 5.

Рис.5

Для правильной работы схемы необходимо, чтобы аноды симисторов и провода от “внутренних вольтметров” были подключены к фазовому проводу.

Конструкция и детали

Контроллер стабилизатора (рис. 6) собран на печатной плате 10x12см из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм (рис. 7). Также разработан вариант печатной платы с двумя трансформаторами ТПГ 2-12 на плате.

Рис.6

Рис.7

Как вариант, светодиоды HL1...HL8 можно смонтировать со стороны печатных проводников, чтобы при установке печатной платы в корпус они вставлялись в отверстия диаметром 5мм, просверленные в передней панели устройства.

Контролер в этом случае устанавливается (печатью к передней панели) на стойки соответствующей высоты, прикрученые к передней панели корпуса стабилизатора винтами в потай.

Номинал токоограничительного резистора R22 необходимо подобрать так, чтобы ток, протекающий через светодиоды симисторных оптронов U1.1...U6.1, был в пределах 8...10мА. В диодном мосте VD1...VD4 применены диоды Шоттки 11DQ10, в связи с малым на них падением напряжения. Подстроечные резисторы R2, R10 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3. Постоянные резисторы R1, R5...R9 желательно использовать типа С2-23 (металлодиэлектрические) c мощностью рассеивания не менее той, что указана в схеме. Остальные могут быть любого типа. Электролитические конденсаторы C1, C2, С4, С5, С8, С9 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Конденсаторы C3, С6, C7 – любые пленочные или керамические. Конденсаторы C10...C15 – пленочные на напряжение не ниже 630В.

Импортные симисторные оптроны MOC3052 (U1...U7) выбраны потому, что они не содержат встроенные контроллеры перехода напряжения через ноль. В этом нет необходимости, т.к. синхронизация выключения одного мощного симистора и включения другого осуществляется программно.

Мощные симисторы VS1...VS6 – ВТА 40-600. Все симисторы VS1...VS6 устанавливаются на один теплоотвод, с площадью охлаждающей поверхности не менее 800см², желательно с использованием термопасты для обеспечения надежного теплоотвода. Микросхему стабилизатора (DA1) КР1158ЕН5А(Б) необходимо установить на теплоотвод не менее 80см².

Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 8Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 2,3см². Его сетевая обмотка I рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1мм. Обмотка II содержат 585 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25мм. При номинальном напряжении сети 220В напряжение выходной обмотки должно составлять 13,5В при токе в нагрузке 250мА.

Настройка

Настройка устройства сводится к следующему. К сети подключается эталонный вольтметр (цифровой тестер). Схема контроллера также включается в сеть. Подстроечными резисторами R2 и R10 поочередно настраиваются оба внутренних вольтметра стабилизатора на показания эталонного вольтметра. Для успокоения души с помощью ЛАТРа можно убедиться в последовательном переключении светодиодов HL2...HL7 при пересечении порогов 120, 137, 157, 179, 205, 235 и 270 В.

На этом настройка устройства закончена.

Способы коммутации отводов

Существуют два способа коммутации отводов автотрансформатора Т2.

СПОСОБ ПЕРВЫЙ. Коммутация отводов “по входу” (рис. 8).
Симисторные ключи стоят до автотрансформатора, коммутируя отводы так, чтобы нагрузка, всегда снимаемая с одного отвода (№5 снизу по схеме), находилась в необходимом диапазоне выходного напряжения 205...235В.

Рис.8

Достоинства: при намотке автотрансформатора не нужно учитывать коэффициент перенапряжения до 380 В (380/220=1,7), что сказывается и на габаритах сердечника, и количестве меди, необходимой для намотки. Также возможно применение низковольтных симисторов ВТА40-600, так как симисторы при превышении 270В просто отключат автотрансформатор от сети.

Недостатки: ток, протекающий через симисторы и первичную обмотку автотрансформатора, ограничен на уровне 25А, и как следствие ток выходной обмотки равен 14,5А.

Выводы: вариант коммутации “по входу” позволяет снять с симистора ВТА40-600 3кВт полезной мощности. Налицо экономия на меди, сердечнике и симисторах.

Если Вас устраивавет мощность стабилизатора 3кВт, то эта схема для Вас! По моей оценке в ней больше достоинств, чем недостатков!

СПОСОБ ВТОРОЙ. Коммутация отводов “по выходу” (рис. 9).

Рис.9

Сетевое напряжение подключается к отводу №2. Симисторные ключи стоят после автотрансформатора, подключая к нагрузке тот отвод, на котором напряжение находится в необходимых пределах 205...235В.

Достоинства: данный вариант подключения позволяет “снять” с симистора ВТА 40-600 5,5кВт полезной мощности, что почти в 2 раза больше варианта коммутации “по входу”.

Недостатки: недостатком является необходимость применения симисторов, рассчитанных на рабочее напряжение не менее 800 В (в трех верхних по схеме отводах автотрансформатора), и в 1,7 раза увеличенное число витков обмотки автотрансформатора.

Выводы: для устранения вышеперечисленных недостатков потребуется введение в схему дополнительного мощного симисторного ключа на 80 А (ТС142-80-8) непосредственно перед автотрансформатором, который будет отключать первичную обмотку (отвод №2 снизу по схеме) при выходе напряжения сети за пределы 120...270В. В аналоговых вариантах это приведет к значительному усложнению схемы контроллера, поэтому предпочтительней схема коммутации “по входу”. В микроконтроллерном варианте это можно реализовать, дописав в программе микроконтроллера несколько строк!

Применение дешевых симисторов ВТА41

В варианте коммутации “по входу” мощность в нагрузке составит 1,2кВт. Все симисторы могут быть ВТА41-600. На выходе автотрансформатора (перед нагрузкой) обязательно нужно поставить автомат QF2 на 6А, а в качестве QF1 применить автомат на 10А.

В варианте коммутации “по выходу” мощность в нагрузке составит 2,2кВт. Для этого в трех верхних по схеме отводах нужно использовать симисторы ВТА41-800.

Это необходимо, т.к. напряжения в этих отводах при аварийном напряжении в сети 380В превысит, либо будет близко к 600В. Остальные (нижние) могут быть ВТА41-600. На выходе автотрансформатора (перед нагрузкой) обязательно нужно поставить автомат QF2 на 10А, а в качестве QF1 применить автомат на 20А.

Испытано, что через симистор ВТА41 может протекать максимальный ток до 13А . При привышении этого значения начинают отгорать выводы у симисторов как предохранители, поскольку их сечение 0,6мм² (0,6х1 мм). Оптимально ограничить ток через симисторы на уровне 10А.

Литература

1. Годин А. Стабилизатор сетевого напряжения повышенной точности с мощностью нагрузки до 6кВт - Радиолюбитель, №7/2005, с. 36-40.

По всем вопросам, связанным с описываемым устройством, можно получить консультацию, направив запрос на адрес электронной почты автора, указанный в начале статьи.

НАПИСАТЬ ПИСЬМО АВТОРУ ПУБЛИКАЦИИ

Версия для печати
Автор: Годин Алексей Валерьевич, г.Москва
P.S. Материал защищён.
Дата публикации 22.09.2006гг

Назад