2007 г. @Годин Алексей Валерьевич

Схема стабилизатора

с контроллером на цифровых микросхемах для активно-индуктивной нагрузки

Рабочий диапазон входного напряжения , В . . . . . . . . . . . . . . . . .120…307
Выходное напряжение стабилизатора, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205…235
Максимальная мощность нагрузки, кВт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3,0
Время переключения (отключения) нагрузки, мс . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Работоспособность контроллера при напряжении в сети, B . . . .95...380

Стабилизатор работает по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т2 с помощью симисторных ключей VS1—VS7 под управлением контроллера, следящего за уровнем напряжения в сети.

Стабилизатор состоит из следующих узлов:

1)     Блок питания (БП): трансформатор Т1 (обмотка II), диодный мост VD1, конденсаторы С1,С3, микросхема стабилизации питания +5 вольт DA1.

2)     Блок компараторов (БК), сравнивающий опорное напряжение, созданное делителем на R3-R11, с выпрямленным и пропорционально уменьшенным сетевым напряжением на Т1 (обмотка III), диодный мост VD2, С3, делителе R1, R2 и состоящий из микросхем DA2, DA3, резисторов обратной связи R20-R27 и ограничивающих резисторов R12-R19.

3)     Блок контроля и синхронизации (БКС) на VD3, VT8-VT11 и резисторов R29-R37 (описан в [1])

4)     Узел задержки 3 секунды при первом включении на VT12-VT14, R38-R44, С7.

5)     Блок шифрации (БШ) на DD1  КР1564ЛП5.

6)     Блок записи информации (БЗИ) на DD2  КР1564ТМ7

7)     Блок логического сравнения (БЛС) на DD3 КР1564ЛП5 и VD4-VD7.

8)     Блок дешифрации и управления (БДУ) на DD4 КР1564ИД3.

9)     Силовой блок на T2, Т3, VS1-VS7, VT1-VT7, U1-U7, R45-R65, C8-C14

10)   Узел индикации на HL1-HL9.

В силовом узле применен метод непосредственного управления симисторами постоянным током. Такой метод не создает помех и искажений в форме сетевой синусоиды, которые могут иметь место, при использовании оптосимисторной развязки.

Силовой автотрансформатор Т2 подключен по схеме коммутации "по входу", что позволяет использовать низковольтные симисторы и экономить на меди и габаритах сердечника.

Рис.1 Схема стабилизатора

Алгоритм работы контроллера:

1) Первое включение
В первый момент все симисторы закрыты, поэтому на выходе блока контроля и синхронизации (коллекторе VT11) присутствуют импульсы синхронизации, совпадающие по фазе с напряжением.
В течении 3 секунд, пока заряжается С7, на вывод Е1 дешифратора DD4 с коллектора VT12 подается логическая "1", поэтому дешифрирование запрещено и все светодиоды HL1-HL8 погашены. В это же время на выходах компараторов DA1-DA2 заканчиваются все переходные процессы и устанавливаются состояния в соответствии с напряжением в сети, из которых блок шифрации DD1 формирует позиционный код. Далее по фронту импульса синхронизации от датчика управления происходит запись в ячейки регистров DD2.
Блок логического сравнения на DD3 проверяет, что бы состояние входов и выходов регистров DD2 было одинаковое и подает на вход Е0 дешифратора DD4 логический "0", но дешифрирование пока запрещено, т.к на входе Е1 логическая "1".
По истечении 3 секунд С7 заряжается и VT12 открывается, подавая на вход Е1 дешифратора DD4 логический «0», тем самым разрешая дешифрирование и как следствие включение одного из симисторов VS1-VS7.
После открывания одного из симисторов, импульсы синхронизации с выхода блока контроля и синхронизации (коллектор VT11) пропадают, и  стабильный логический "0" на выводах 4 и 13 DD2 запрещает любые изменения состояния регистров DD2.

2) Рабочий режим
Когда напряжение сети переходит в другой из семи диапазонов отслеживания - меняется состояние одного из компараторов и в соответствии с этим меняется позиционный код на выходе шифратора DD1.
На входы одного из четырех блоков логического сравнения на DD3 при этом поступают разные логические уровни и на его выходе появляется логическая "1", которая поступая на Е0 (выв.18) DD4 запрещает дешифрирование и открытый до этого симистор закрывается.
Моментально на выходе блока контроля и синхронизации (коллектор VT11) появляются импульсы синхронизации и по фронту первого импульса в момент перехода через ноль происходит запись нового состояния в регистры DD2. Блок логического сравнения на DD3 проверяет, что бы состояние входов и выходов регистров DD2 было одинаковое и подает на вход Е0 дешифратора DD4 логический "0", разрешая дешифрирование и подавая управляющий сигнал на другой симистор.

Если напряжение ниже 120 В или выше 307 Вольт, нагрузка обесточивается. В случае пропадания напряжения сети и последующего появления, контроллер автоматически подключает нагрузку через 3 секунды.

Если после перехода сетевого напряжения на другой пороговый интервал от датчика контроля и синхронизации (с коллектора VT 11) не приходят импульсы разрешения и синхронизации, что свидетельствует либо о выходе из строя датчика, либо пробое одного из симисторов, то схема уходит в "режим аварии" и обесточивается автотрансформатор и соответственно нагрузка.
Таким образом осуществляется контроль за состоянием симисторов, исключающий одновременное включение ступеней и межобмоточных замыканий автотрансформатора.

Конструкция и детали:

Печатная плата контроллера имеет размеры 165х100 мм. Файл печати контроллера Pechat_TM7_120-307v_7st.lay  выполнен с помощью программы Sprint Layout 4.0, которая позволяет выводить рисунок на печать в зеркальном отображении и очень удобна для изготовления печатных плат при помощи лазерного принтера и утюга.
Если у Вас нет программы Sprint Layout 4.0, то ее можно скачать здесь
 

В качестве DD1, DD3 могут быть использованы ЛП5 из серий КР1533, КР1554 и КР1564, а также их импортные аналоги 74HC86, 74ALS86, 74AС86.

В качестве DD2 могут быть использованы ТМ7 из серий КР1533, КР1554 и КР1564, а также их импортные аналоги 74HC75, 74ALS75, 74AС75.

В качестве DD4 могут быть использованы ИД3 из серий КР1533, КР1554 и КР1564, а также их импортные аналоги 74HC154, 74ALS154, 74AС154.

Как вариант, светодиоды HL1—HL8 можно смонтировать со стороны печатных проводников, чтобы при установке печатной платы в корпус они вставлялись в отверстия диаметром 5 мм, просверленные в передней панели устройства.
Контролер в этом случае устанавливается (печатью к передней панели) на стойки соответствующей высоты, прикрученные к передней панели корпуса стабилизатора винтами в патай. В качестве HL9 используется автомобильная лампа накаливания на 12 в не более 1Вт.
Номинал токоограничительного резистора R28 необходимо подобрать так, чтобы ток протекающий через светодиоды оптотранзисторов U1.1...U7.1 был в пределах 9...10мА.
Подстроечный резисторы R2 проволочный многооборотный СП5-2 или СП5-3.
Постоянные резисторы R3...R27 желательно использовать типа С2-23 (металлодиэлектрические) c мощностью рассеивания не менее той, что указана в схеме. От этого зависит температурная стабильность контроллера. Остальные - могут быть любого типа. Резисторы R3, R4, R7 могут быть получены путем последовательного соединения 1,1к+360 Ом, 150 Ом+20 Ом, 130 Ом+130 Ом соответственно.
Конденсаторы C1-C3,С7 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Конденсаторы C4-С6 — любые пленочные или керамические. Конденсаторы C8-C14 — пленочные на напряжение не ниже 630В.
Транзисторные оптроны РС817 (U1...U7) служат для гальванической развязки логического контроллера от силовой части стабилизатора. Мощные симисторы VS1...VS7  BTA40-600 устанавливаются на один теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 1200 кв.см. без изоляторов, желательно с использованием термопасты для обеспечения надежного теплоотвода.
Микросхему стабилизатора (DA1) L7805CV необходимо установить на отдельный теплоотвод не менее 100 см2.

Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 10 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 5,5 см2. Его сетевая обмотка I, рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,1 мм. Обмотки II  содержит 650 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм, обмотка III содержит 200 витков провода диаметром 0,1 мм. При номинальном напряжении сети 220 В напряжение выходной обмотоки II  должно составлять 15 Вольт при токе в нагрузке 400 мА, а обмотки III - 5 Вольт при токе 50 мА. Вместо самодельного трансформатора Т1 можно применить два трансформатора ТП114-к25 (2х15в), соединенных последовательно по способу, описанному в [2] как показано на рис.2. 

Рис.2 (Способ подключения Т1)

Автотрансформатор T2 на 3 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном ленточном сердечнике габаритной мощностью 2 кВт. Общее число витков автотрансформатора, состоящего из частей, составляет 386 витков.
Первая часть обмотки 0-1 мотается проводом (шиной) сечением 4 кв.мм. Части обмоток 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 мотаются шиной сечением 12,5 кв.мм. Часть обмотки 5-6, 6-7 мотаются проводом сечением 7 кв.мм. Такое сечение необходимо, для того чтобы автотрансформатор не грелся в процессе длительной эксплуатации.
Части обмоток имеют соответственно 172, 25, 28, 33, 37, 42, и 49 витков, начиная снизу по схеме. Напряжение на нагрузку снимается с точки соединения частей обмоток 4-5 и 5-6.

При изготовлении автотрансформатора при неизвестном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника, для того, что бы не ошибиться в выборе отношения витков на вольт, необходимо провести практическое исследование статора.

Трансформатор Т3 типа ТПК (ТПГ)-2 с одной вторичной обмоткой на 12 вольт - служит для индикации наличия выходного напряжения.  Также его первичная обмотка (подключенная к выходу автотрансформатора Т2) работает как дроссель в моменты переключения со ступени на ступень, сглаживая броски самоиндукции автотрансформатора Т2.

Для правельной работы схемы НЕОБХОДИМО, в точности соблюсти все межсхемные подключения. В частности выводы А1 всех симисторов объединяют общей шиной и подключаются к общему проводнику схемы контроллера.

Настройка:

После сборки платы контроллера в первую очередь необходимо проверить работоспособность блока питания во всем рабочем диапазоне стабилизатора. Для этого необходимо нагрузить микросхему стабилизатора DA1 сопротивлением 24 Ом на 2 Вт и меняя ЛАТРом входное напряжение на Т1 с 220 до 110 Вольт убедиться в наличии стабильного напряжения +5В на выходе DA1. Если напряжение просаживается, то необходимо заменить трансформатор Т1 на более сильноточный. Блок питания во всем рабочем диапазоне должен надежно выдавать 200 мА.
Настройка сводится к следующему:
К сети подключается эталонный вольтметр (цифровой тестер). Схема контроллера без силовой части и автотрансформатора включается в сеть.
При помощи ЛАТРа выставляется 235 вольт на входе Т1 и подстроечным резистором R2 добиваются напряжения 2,4 вольта на движке. От этой настройки зависит точность переключния стабилизатора со ступени на ступень по заданным порогам.
По завершению с помощью ЛАТРа можно убедиться в последовательном переключении светодиодов HL1-HL8 при пересечении порогов 120, 137, 157, 179, 205, 235, 268, 307 вольт.

Для надежной работы датчика управления нужно подобрать VT8, VT10,VT11 c коэффициентом усиления по току h21э > 100 (можно заменить на КТ3102, КТ342 или импортные аналоги...к примеру 2SC1815GR) и желательно проверить его работу на осцилографе, подсоединив к автотрансформатору согласно схемы без симисторов.
Когда не на один отвод не подано напряжение сети (эмитация режима, когда все симисторы закрыты) на выходе датчика должны присутствовать импульсы, совпадающие по фазе с напряжением и амплитудой близкой к напряжению питания.
Если подать на какой-либо из отводов напряжение сети, то на выходе датчика должен быть логический ноль (около нуля). У меня уровень нуля был 0,05В.
Если будет больше 0,2 В, то нужно будет подобрать VT11 с маленьким напряжением насышения, что бы на переходе КЭ падал как можно меньший потенциал.

После окончания вышеуказанных процедур можно подключать автотрансформатор к силовым симисторам.

Желающие расширить рабочий диапазон и улучшить точность выходного напряжения стабилизатора могут собрать вариант стабилизатора с 11 ступенями. Схема стабилизатора с рабочим диапазоном 110-270 Вольт и точностью 211-229 Вольт.

Мощность стабилизатора может быть увеличена, если в силовой части использовать более мощные симисторы и автотрансформатор соответствующей мощности.

Литература.

[1] Приложение к статье В.Я.Володина "Компенсатор отклонения напряжения сети" РадиоХобби №1 2004 г.

[2] Копанев В. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети. - Радио, 1997, №2, с.46.