Журнал Радио 10 номер 2000 год. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Журнал Радио 10 номер 2000 год. ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ РЕГУЛЯТОРЫ МОЩНОСТИ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ

Л. РИДИКО, г. Минск, Белоруссия   В статье описаны два тиристорных регулятора мощности для инерционной нагрузки. Применение микроконтроллеров позволяет использовать специальный алгоритм равномерного распределения импульсов тока в нагрузке и получить высокую частоту коммутации даже при шаге регулирования мощности 1 %. Первое устройство предназначено для регулирования мощности в нагрузке, рассчитанной на сетевое напряжение. Второе работает с низковольтной нагрузкой, которая гальванически не связана с сетью. Кроме того, этот регулятор обеспечивает стабилизацию мощности в нагрузке при колебаниях сетевого напряжения.

Для управления инерционной нагрузкой применяют тиристорные регуляторы мощности, работающие по принципу подачи на нагрузку нескольких полупериодов сетевого напряжения с последующей паузой. Преимущество таких устройств заключается в том, что моменты коммутации тиристоров совпадают с моментами перехода сетевого напряжения через ноль, поэтому уровень радиопомех резко снижен. Кроме того, такой прибор, в отличие от регулятора с фазовым управлением, не содержит аналоговых пороговых элементов, что увеличивает стабильность работы и упрощает налаживание. Поскольку коммутация происходит только во время перехода сетевого напряжения через ноль, минимальная порция энергии, поступающая в нагрузку, равна энергии, потребляемой нагрузкой за один полупериод. Поэтому для уменьшения шага регулирования мощности приходится удлинять повторяющуюся последовательность полупериодов.

Например, чтобы получить шаг в 10 %, необходима последовательность из десяти полупериодов. На рис. 1,а показана последовательность импульсов на управляющем электроде тиристора для мощности в нагрузке 30 %. Как видно, тиристор открыт в течение первых трех полупериодов, а в семи последующих закрыт. Далее эта последовательность повторяется. Частота коммутации у такого регулятора для любой мощности, меньшей 100 %, равна 1/10 частоты следования полупериодов.

Гораздо логичнее было бы распределить полупериоды, в течение которых тиристор открыт, по возможности, равномерно по всей последовательности [1]. В общем случае задачу равномерного распределения любого числа импульсов N в последовательности длиной М (при N, меньшем или равном М) решает алгоритм Брезенхема. который обычно используют в растровой графике для построения наклонных отрезков. Этот алгоритм реализуется с помощью целочисленной арифметики, что существенно упрощает его программирование. На рис. 1,6 показана последовательность для той же мощности в 30 %. но с применением алгоритма Брезенхема. В последнем случае частота коммутации в три раза выше. Следует отметить, что выигрыш более заметен при малом шаге регулирования мощности.

Основа регулятора мощности (рис. 2) - микроконтроллер DD1 АТ89С2051 фирмы ATMEL [2]. Для питания использован маломощный трансформатор ТТ. что вместе с применением оптотиристоров обеспечивает гальваническую развязку от сети. Это делает устройство более электробезопасным. Еще одно полезное свойство регулятора - его можно использовать с нагрузками, рассчитанными на разное рабочее напряжение. Для этого достаточно подать на тиристоры требуемое напряжение с дополнительного трансформатора. Можно, например, питать низковольтный паяльник. Необходимо только, чтобы напряжение и ток не превышали максимально допустимых значений у примененных тиристоров.

Регулируют мощность в нагрузке кнопками SB1 и SB2. Короткое нажатие на одну из кнопок увеличит ее или уменьшит на один шаг, а при удержании кнопки происходит монотонное изменение мощности. Одновременное нажатие двух кнопок приводит к выключению нагрузки, если до этого она была включена или включает максимальную мощность, если нагрузка была выключена.

Значение мощности в нагрузке выводят на светодиодные семиэлементные индикаторы HG1-HG3. Для уменьшения числа элементов применена динамическая индикация, реализованная программно. Катоды индикаторов подключены к портам микроконтроллера, аноды включают транзисторы VT3 и VT4. которыми управляют сигналы сканирования индикаторов. В старшем разряде возможно индицирование только единицы, поэтому элементы В и С через резисторы подключены к одному порту, а аноды индикаторов HG1 и HG2 объединены. Импульсный ток элементов ограничен резисторами R10-R18 на уровне примерно 15мА, что меньше максимально допустимого тока для портов (20 мА). но достаточно для получения необходимой яркости.

Встроенный в микроконтроллер аналоговый компаратор осуществляет привязку к моментам перехода сетевого напряжения через ноль. На его входы через ограничители VD5R2 и VD6R3 поступает переменное напряжение с вторичной обмотки трансформатора питания. Роль ограничителя для отрицательного полупериода сетевого напряжения выполняют диоды выпрямительного моста. Переключение компаратора происходит в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Выход компаратора опрашивается программно, и как только будет обнаружено изменение его состояния, на выходе управления тиристорами (порт микроконтроллера Р3.2) появляется управляющий сигнал на их включение. В случае, когда текущий полупериод подлежит пропуску, этого сигнала не будет. Затем на 4 мс включается индикатор HG3. В это время происходит проверка замкнутого состояния кнопок и. если нужно, изменяется значение текущей мощности. После этого снимают управляющее напряжение с тиристоров и на 4 мс включают индикаторы HG1 и HG2. Далее в течение 4 мс ожидается новое изменение состояния компаратора.

Сигнал с порта Р3.2 поступает на коммутатор, выполненный на транзисторах VT1 и VT2, который служит для управления излучающими диодами оптотиристоров. Для коммутации нагрузки используются два оптотиристора, включенные встречно-параллельно. Их излучающие диоды соединены последовательно. Ток излучающих диодов -примерно 100 мА - задает резистор R1.

Регулятор может работать в двух режимах с разным шагом регулирования мощности. Режим работы выбирают запаиваемой перемычкой S1. Ее положение микроконтроллер опрашивает сразу после сброса. В положении 1, показанном на схеме, шаг регулировки мощности - 1 %. При этом на индикаторе отображаются числа от 0 (0 %) до 100 (100 %). В положении 2 шаг равен 10 %. На индикатор выводятся числа от 0 (0 %) до 10 (100 %). Выбор десяти градаций в режиме 2 обусловлен тем. что в некоторых случаях (например, управление электроплитой) малый шаг регулировки мощности не нужен. Если регулятор предполагают использовать только в таком режиме, индикатор HG1 и резисторы R17, R18 можно не устанавливать. Вообще говоря, устройство позволяет произвольно задать число градаций мощности для каждого режима. Необходимо лишь в код программы по адресу 0005Н занести желаемое значение градаций для режима 1. а по адресу 000ВН - для режима 2. Нужно лишь помнить, что максимальное число градаций в режиме 1 должно быть не более 127, а в режиме 2 - не более 99, поскольку в этом режиме индикация сотен невозможна.


Если ток нагрузки не превышает 2 А. оптотиристоры можно использовать без теплоотводов. При большем токе их устанавливают на теплоотводы площадью 50...80 см'. Когда нагрузку питают напряжением менее 50 В. оптотиристоры могут быть любого класса (по напряжению). При работе же с сетевым напряжением класс оптотиристоров должен быть не ниже 6. Трансформатор питания - любой маломощный с напряжением на вторичной обмотке 8... 10 В и допустимым током не менее 200 мА. Диоды FR157 (VD1-VD4) заменимы на КД208 КД209 или выпрямительный мост КЦ405 с любым буквенным индексом. Микросхема стабилизатора DA1 7805 (отечественный аналог КР142ЕН5А, КР1180ЕН5) дополнительного теплоотвода не требует. Транзисторы VT2-VT4 - любые маломощные структуры р-п-р. Вместо VT1 применимы транзисторы КТ815, КТ817 с любым буквенным индексом. Однако при этом необходимо подобрать резистор R5. Диоды VD5. VD6 - любые кремниевые маломощные, например, КД521, КД522. Кнопки SB1 и SB2 - любые малогабаритные без фиксации, например, ПКн-159. Индикаторы HG1 - HG3 -любые семиэлементные с общим анодом, необходимой яркости свечения. Конденсаторы С1. СЗ, С6 - любые оксидные, остальные - керамические. Резистор R1 - МЛТ-0,5, остальные -МЛТ-0.125. Еще удобнее применить резисторы для поверхностного монтажа, например. РН1-12.

Регулятор в налаживании не нуждается, если собран из заведомо исправных деталей, а микроконтроллер запрограммирован без ошибок. Желательно все же проверить правильность привязки к частоте сетевого напряжения. Для этого следует засинхронизировать осциллограф сетевым напряжением и убедиться, что импульсы сканирования дисплея (сигналы RXD и ТХО микроконтроллера) синхронны с сетью и имеют удвоенную сетевую частоту. Бывает, что при подключении нагрузки из-за помех синхронность нарушается. В этом случае необходимо между входами компаратора (выводы 12, 13 микроконтроллера) включить конденсатор емкостью 1000-4700 пф.

Коды программы микроконтроллера приведены в табл. 1.

При шаге регулирования 1 % нестабильность напряжения сети является основным источником погрешности установки мощности. Если нагрузка гальванически не связана с сетью, несложно измерить среднее значение приложенного к нагрузке напряжения и с помощью цепи обратной связи поддерживать его постоянным. Этот принцип и реализован во втором регуляторе. Функциональная схема устройства приведена на рис. 3. Для работы в режиме автоматического регулирования используют два Брезенхемовских модулятора (Мод. 1 и Мод. 2), которые peaлизованы программно. На вход первого поступает код требуемой мощности, который задают кнопками управления. На его выходе формируется импульсная последовательность, которую через фильтр нижних частот (Z1) подают на инвертирующий вход компаратора. На его неинвертирующий вход после фильтра нижних частот (Z2) поступает напряжение, снимаемое с нагрузки. С выхода компаратора однобитный сигнал ошибки подают на вход микроконтроллера, где его подвергают цифровой фильтрации.

Поскольку цифровой фильтр (ЦФ) работает синхронно с модуляторами, обеспечивается эффективное подавление пульсаций на частоте повторения выходных импульсных последовательностей и ее гармониках. С выхода цифрового фильтра восьмибитный сигнал ошибки поступает на интегрирующий регулятор (ИР). Для повышения точности интегрирующий регулятор работает в шестнадцатиразрядной сетке. Младшие восемь бит выходного кода регулятора поступают на вход модулятора Мод. 2, на выходе которого формируется импульсная последовательность, поступающая на управление тиристорами.

Такой регулятор схемотехнически очень похож на описанный выше, поэтому имеет смысл остановиться только на его отличиях. На рис. 4 показана отличающаяся часть схемы. Остальные выводы микроконтроллера DD1 на схеме не показаны. Они подключены так же. как на рис. 2.

Поскольку имеющихся портов ввода-вывода микроконтроллера оказалось недостаточно, пришлось отказаться от использования встроенного компаратора. Вместо него в регуляторе применен сдвоенный компаратор DA2. На одном (DA2.1) собран узел привязки к моментам перехода через ноль сетевого напряжения. Из-за особенностей микросхемы LM393 в этот узел пришлось добавить резистор R19, который с резисторами R2 и R3 (см. рис. 2) образует делитель напряжения, уменьшающий напряжение отрицательной полярности на входах компаратора. Сигнал (меандр сетевой частоты) с выхода компаратора поступает на вход микроконтроллера Р3.2.

Второй компаратор (DA2.2) применяется в цепи обратной связи. Однобитный сигнал ошибки поступает на вход микроконтроллера Р3.5. На входах компаратора установлены ФНЧ. образованные элементами R23, С7 и R24, С8. Сигнал с выхода модулятора (вывод порта Р3.4 микроконтроллера) поступает на вход ФНЧ через делитель R22R26. который необходим по той причине, что компаратор не может работать с входным напряжением, близким к напряжению питания. Амплитуда импульсов после делителя - около 3,5 В. Стабильность амплитуды определяется стабильностью напряжения питания +5 В, которое использовано как образцовое.

Напряжение, снимаемое с нагрузки, поступает на вход другого ФНЧ также через делитель R20R21. Его выбирают так. чтобы при номинальном напряжении сети и мощности в нагрузке 100 % напряжение на выходе ФНЧ составляло 3,5 В. Сигнал с выхода микроконтроллера РЗ.З подают на транзисторный коммутатор, управляющий оптотиристорами. Сетевой трансформатор имеет дополнительную обмотку (111), к которой подключен управляемый выпрямитель, образованный оптотиристорами VS1. VS2 и диодной сборкой VD7. от которого и питают нагрузку.

Кнопки управления для экономии портов микроконтроллера подключены иначе, чем в предыдущем устройстве. В цикле работы регулятора есть промежуток, когда индикаторы выключены. В это время оказалось возможным провести сканирование кнопок по линиям управления индикаторами. Таким образом, три кнопки используют дополнительно только одну линию: это - линия возврата, подключенная к выводу порта Р3.7. Третья кнопка понадобилась для режима "Автомат". Сразу после включения устройство находится в режиме ручного управления, т. е. функционально соответствует регулятору, описанному выше. Дли включения автоматического регулирования нужно одновременно нажать на кнопки "Автомат" и "+". При этом зажигается светодиод HL1 "Автомат". В таком режиме регулятор автоматически поддерживает установленную мощность. Если теперь нажать и удерживать кнопку "Автомат", то на индикаторах можно посмотреть текущее состояние регулятора. Когда сетевое напряжение уменьшилось настолько, что поддерживать мощность нет возможности, светодиод "Автомат" начинает мигать. Выключить режим автоматического регулирования можно одновременным нажатием на кнопки "Автомат" и " - ".

Коды прошивки программы микроконтроллера этого регулятора приведены в табл. 2.

При токе нагрузки более 2 А оптоти-ристоры следует установить на теплоотвод. Теплоотводящая пластина корпуса оптотиристора соединена с анодом, поэтому в устройстве приборы можно монтировать на один теллоотвод. На месте VD7 желательно применить сборку диодов Шоттки (или два отдельных диода Шоттки. например. КД2998А). В крайнем случае можно использовать обычные диоды, рассчитанные на необходимый ток нагрузки. Хорошие результаты можно получить с диодами серий КД2997. КД2999. КД213. Компаратор LM393 выпускает ПО "Интеграл" под обозначением IL393. Можно применить и два отдельных компаратора, например. LM311. Вместо транзистора КП505А допустимо применить биполярный транзистор серий КТ815, КТ817, включив в цепь коллектора транзистора VT2 резистор сопротивлением 1 кОм. К остальным деталям требования те же. что и для регулятора, описанного выше.

При налаживании регулятора к нему подключают нагрузку и подают номинальное сетевое напряжение (например, с помощью ЛА-ТРа). Затем, устанавливая максимальную мощность (100 %). подстроечным резистором R21 добиваются, чтобы разность напряжений на входах компаратора 0А2.2 была близка к нулю. После этого уменьшают мощность до 90 % и включают режим "Автомат". Подстройкой резистора R21 добиваются совпадения (с точностью ± 1) установленной мощности и показаний индикаторов в режиме контроля состояния регулятора (при нажатой кнопке "Автомат").

ЛИТЕРАТУРА
1. Бирюков С. Двухканальныи симисторный регулятор. - Радио. 2000. ╧ 2. с. 32.33. ,
2. АТ89С2051 8-Bit Microcontroller with 2 Kbytes Flash. Atmel Data Sheet. -vww.atmel.com/atrnel/postscript/firsl_page/ doc0368a.gif.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 10 номер 2000 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.