2004 г

Стабилизатор с микроконтроллерным управлением на базе ATmega 8.

В данной статье пойдет речь о конструкциях стабилизаторов на базе микроконтроллера ATmega8-16PI. Используя разные прошивки, могут быть получены варианты на 6, 11 и 14 ступеней с коммутацией автотрансформатора по входу, а также на 6, 11 и 14 ступеней с коммутацией по выходу. В зависимости от применяемых автотрансформаторов, схемы его включения и силовых ключей могут быть получены разные мощности стабилизаторов в диапазоне от 1,2 до 11 кВт.

Для 6 ступеней.....120-270 вольт с точностью на выходе 205-235 Вольт (+ - 7%)

Для 11 ступеней.....120-290 вольт или 111-268 Вольт с точностью на выходе 211-229 Вольт (+ - 4%)

Для 14 ступеней.....116-272 вольт с точностью на выходе 213-227 Вольт (+ - 3%)

При желании Заказчика рабочий диапазон любого варианта может быть изменен, а пороги переключения могут быть запрограммированы по Вашим значениям, к примеру под имеющийся автотрансформатор. В варианте 14 ступеней возможен даже рабочий диапазон 90-380 Вольт при точности 7%!

Стабилизатор работает по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т3 с помощью симисторных ключей VS под управлением микроконтроллера AT mega 8-16PI, следящего за уровнем напряжения в сети.
После включения автомата QF1 напряжение сети поступает на трансформатор Т1 и микроконтроллер начинает работать по заданной программе.

После включения спустя 5 секунд на дисплее появляется надпись "ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ". Последующие 7 секунд микропроцессор анализирует напряжение сети, и если оно находится в пределах рабочего диапазона (к примеру 120-270 Вольт), в зависимости от результатов измерения открывает один из симисторов VS, тем самым подключая один из отводов автотрансформатора.

Нагрузка подключается к выходному отводу автотрансформатора через автоматический выключатель QF2, 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.

Если напряжение (к примеру) ниже 120 В или выше 270 Вольт, нагрузка обесточивается. На дисплее в этот момент в верхней строке индуцируется действующее напряжение сети, а в нижней строке мигает надпись "РЕЖИМ ЗАЩИТЫ".

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.

Для синхронизации переключения отводов и контроля за состоянием силовых ключей использован датчик управления на диодном мосте и четырех транзисторах, который подключается непосредственно к автотрансформатору. Помимо синхронизации он при выходе из строя одного из силовых ключей позволяет избежать межобмоточных замыканий автотрансформатора и как следствие защитить потребители от выхода из строя.

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.

Если силовой автотрансформатор Т3 подключен по схеме коммутации "по входу" это позволяет использовать низковольтные симисторы и экономить на меди и габаритах сердечника.

Общий алгоритм работы контроллера для схемы коммутации автототрансформатора по входу:

Алгоритм работы контроллера рассмотрим на примере схемы варианта на 6 ступеней.

После включения стабилизатора в сеть, в первый момент все симисторы закрыты. Левый вывод датчика управления VD2, описанного в [1] через обмотку трансформатора подключен к нулю. Микроконтроллер в течении 7 секунд анализирует состояние сети. Поскольку все симисторы закрыты, то на коллекторе VT10 присутствуют импульсы высокого уровня, которые совпадают по фазе с напряжением. По истечении 7 секунд происходит включение одной из ступеней стабилизатора в зависимости от состояния сети. Оно происходит по фронту импульса, который сдвигается по фазе, если стабилизатор в момент переключения нагружен на комплексную активно-реактивную нагрузку, таким образом переключение происходит в точке перехода тока через ноль. Если открыт хотя бы один симистор, то напряжение на правой стороне VD2 DF10 выше (или равно) напряжения на левой стороне, и на коллекторе VT 10 стабильно низкий уровень сигнализирует, что какой-то из симисторов открыт и запрещает переключение со ступени на ступень до момента закрытия всех симисторов.

Если напряжение в сети меняется, то контроллер снимает управляющее напряжение с работающего симистора. На коллекторе VT10 появляются импульсы высокого уровня и по фронту первого импульса микроконтроллер разрешает включение другого симистора. И так каждый раз при изменении сетевого напряжения.

Если после перехода сетевого напряжения на другой пороговый интервал в течении 10 периодов от датчика управления (с коллектора VT 10) не приходит импульс разрешения и синхронизации, что свидетельствует либо о выходе из строя датчика, либо пробое одного из симисторов, то схема уходит в "режим защиты" и обесточивается автотрансформатор и соответственно нагрузка.
Таким образом осуществляется контроль за состоянием симисторов, исключающий одновременное включение ступеней и межобмоточных замыканий автотрансформатора.

Рабочий диапазон входного напряжения , В . . . . . . . . . . . . . . . . .120�270
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

Все детали в схеме являются доступными, поэтому аналоги не приводятся. Исключением являются прошитый микроконтроллер AT mega 8-16PI и ЖК дисплей MT 16S2H (D) которые можно заказать и получить по почте.
Контроллер стабилизатора собран на печатной плате 85 x 125 мм. из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5-2 мм.

Файл печати устройства Pechat_ATmega8_120-270v_6st.lay (110,0 kb) 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

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, прикрученые к передней панели корпуса стабилизатора винтами в патай.
Номинал токоограничительного резистора R 10 необходимо подобрать так, чтобы ток протекающий через светодиоды оптотранзисторов U1.1...U6.1 был в пределах 9...10мА.
Подстроечные резисторы R2, R12 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3.
Постоянные резисторы R4...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,С6 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Конденсатор C3 � любой пленочные или керамический. Конденсаторы C7-C12 � пленочные на напряжение не ниже 630В.
Транзисторные оптроны РС817 (U1...U6) служат для гальванической развязки логического контроллера от силовой части стабилизатора. Мощные симисторы VS1...VS6 ТС142-80 не ниже 8 класса.
Все симисторы VS1...VS6 устанавливаются на один теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 1200 кв.см. с использованием изолирующих керамических или слюдяных прокладок, желательно с использованием термопасты для обеспечения надежного теплоотвода.
Микросхему стабилизатора (DA1) L7805CV необходимо установить на отдельный теплоотвод не менее 100 см2.

Трансформатор T1 состоит из двух соединенных последовательно трансформаторов типа ПТ114-к25. Также может быть применен самодельный трансформатор, рассчитанный на габаритную мощность 20 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. Обмотка 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 обмоти II должно составлять 15 Вольт при токе в нагрузке 400 мА, а обмотки III - 5 Вольт при токе 50 мА.

Трансформатор Т2 типа ТПК (ТПГ)-2 с одной вторичной обмоткой на 6 вольт - служит для гальванической развязки измерительного входа микроконтроллера от сети. Также его первичная обмотка (подключенная к выходу автотрансформатора Т3) работает как дроссель в моменты переключения со ступени на ступень, сглаживая броски самоиндукции автотрансформатора Т3.

Автотрансформатор T3 на 3 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном ленточном сердечнике габаритной мощностью 2 кВт. Общее число витков автотрансформатора, состоящего из частей, составляет 255 витков.
Первая часть обмотки 0-1 мотается проводом (шиной) сечением 10 кв.мм. Части обмоток 1-2, 2-3, 3-4, 4-5 мотаются шиной сечением 25,0 кв.мм. Часть обмотки 5-6 мотается проводом сечением 12,5 кв.мм. Такое сечение необходимо, для того чтобы автотрансформатор не грелся в процессе длительной эксплуатации.
Части обмоток имеют соответственно 130, 19, 21, 25, 28, 32 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.

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

После сборки платы контроллера в первую очередь необходимо проверить работоспособность блока питания во всем рабочем диапазоне стабилизатора. Для этого необходимо нагрузить микросхему стабилизатора DA1 сопротивлениеми 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.
Подстроечным резистором R2 внутренний вольтметр входного напряжения (верхняя строка ЖК дисплея) настраивается на показания эталонного вольтметра. 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 HL2-HL7 при пересечении порогов 120,137,157,179,205,235 и 270 Вольт. Внутренний вольтметр выходного напряжения настраивается резистором R12 на показания эталонного вольтметра в самом конце, когда к контроллеру будет присоединена силовая часть и автотрансформатор Т3.

Для надежной работы датчика управления нужно подобрать VT7-VT10 c коэффициентом усиления по току h21э > 100 (можно заменить на КТ3102, КТ342 или импортные аналоги) 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 VT10 с маленьким напряжением насышения, что бы на переходе КЭ падал как можно меньший потенциал.

После окончания вышеуказанных процедур можно подключать автотрансформатор к силовым симисторам. Не забудьте настроить внутренний вольтметр выходного напряжения (нижняя строка ЖК дисплея), который настраивается резистором R12 на показания эталонного вольтметра. Они нужны только для контроля выходного напряжения стабилизатора и никак не влияют на его работу.

Стабилизатор по данной схеме был протестирован на разных типах нагрузки при максимальной загрузке по мощности и показал отличные результаты!!!

Если кого-то интересуют более точные варианты на 11 и 14 ступеней с мощностью больше чем 3 кВт - пишите на dkavg@mail.ru

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

Главная	Схемы и описания	Справочник	Программы	Форум
Общая информация	Варианты подключения автотрансформатора	Теория расчета автотрансформатора	Прошивка микроконтроллера	Готовые контроллеры и комплекты деталей

Схема включения автотрансформатора	Симисторы
Схема включения автотрансформатора	BTA 41-600 (800)	BTA 40-600 (800)	ТС142-80-8
по входу	1,2 кВт	3 кВт	6 кВт
по выходу	2,2 кВт	5,5 кВт	11 кВт