7 июля 2009 г.   Годин Алексей Валерьевич

Стабилизатор с микроконтроллерным управлением на базе ATmega 8535

с функциями измерения и контроля частоты, мощности нагрузки, температуры, входного и выходного напряжений, звуковой сигнализацией аварийных режимов, управления вентилятором.

В данной статье пойдет речь о конструкциях стабилизаторов на базе микроконтроллера ATmega8535-16PI. 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.

Стандартные рабочие диапазоны:

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%!

Общий алгоритм работы контроллера:

Алгоритм работы контроллера рассмотрим на примере схемы максимально-возможного варианта на 14 ступеней.

Стабилизатор работает по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т3 с помощью симисторных ключей VS1-14 под управлением микроконтроллера AT mega 8535-16PI, 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 стабилизатора в сеть на дисплее в первые 5 секунд индуцируется надпись с параметрами рабочего диапазона, числа ступеней и максимальной мощности нагрузки, запрограммированных в контроллер

 В последующие 3 секунды горит надпись "СТАРТ".

За это время микроконтроллер анализирует состояние сети и по истечении 5 секунд включает ключ S15, подключая автотрансформатор (схема коммутации по выходу), и через 3 секунды ключ одной из ступеней стабилизатора S1-S14 в зависимости от состояния сети. Поскольку ток в нагрузке не протекает, то первое включение происходит в точке перехода напряжения через ноль.
Контроллер переходит в рабочий режим. При этом  в верхней строке ЖК дисплея индуцируются действующие значения напряжения в сети и напряжение на нагрузке, а в нижней строке - частота сети, мощность нагрузки и температура.

Для синхронизации переключения отводов и измерения мощности нагрузки использован датчик тока DT2,  который подключается в разрыв цепи нагрузки. Если напряжение в сети меняется, то контроллер снимает управляющее напряжение с работающего ключа в точке перехода напряжения через ноль, а другой ключ включается по сигналу датчика DT2 в точке перехода тока через ноль. И так каждый раз при изменении сетевого напряжения. Точка включения в зависимости от характера нагрузки меняет положение, что эффективно отслеживается датчиком DT2.

Если напряжение (к примеру) ниже 116 В или выше 272 Вольт, нагрузка обесточивается. На ЖК дисплее в этот момент в верхней строке индуцируется действующее напряжение сети, а в нижней строке мигает надпись "РЕЖИМ ЗАЩИТЫ" и звучит прерывистый звуковой сигнал (излучатель КРЕ-116)

Как только напряжение войдет в диапазон 120...270В, нагрузка вновь будет подключена через 30 сек.

В случае пропадания напряжения сети и последующего появления, микропроцессор автоматически перезагружается и через 5 секунд или 5 минут, в зависимости от положения переключателя S1, вновь подключает нагрузку.

При выходе частоты сети за предельные значения 45-60 Гц нагрузка отключается, на дисплее в верхней строке индуцируется надпись "РЕЖИМ ЗАЩИТЫ" , в нижней - действующее значение частоты в Герцах, и звучит прерывистый звуковой сигнал (излучатель КРЕ-116)

При увеличении температуры датчика DT1 более 60 градусов - на выводe №15  DD1 появляется высокий уровень для управления вентилятором. При снижении температуры ниже 45 градусов сигнал управления с вентилятора снимается, а если температура достегает аварийного значения 75 градусов, то нагрузка обесточивается, на дисплее в верхней строке индуцируется надпись "РЕЖИМ ЗАЩИТЫ" , в нижней - действующее значение температуры, и звучит прерывистый звуковой сигнал (излучатель КРЕ-116). Датчик температуры располагается либо на радиаторе силовых ключей, либо на силовой обмотке автотрансформатора на ваш выбор.

При увеличении мощности нагрузки до промежуточного значения (максимальная нагрузка минус 4%) звучит прерывистый звуковой сигнал (излучатель КРЕ-116), в верхней строке индуцируется надпись "СНИЗЬТЕ НАГРУЗКУ" , в нижней - действующее значение мощности нагрузки. При снижении нагрузки сигнал отключается и  контроллер переходит в рабочий режим. Нагрузка при этом не отключается.

Если же мощность нагрузки превысит предельное значение, то стабилизатор отключает нагрузку, звучит постоянный звуковой сигнал (излучатель КРЕ-116), в верхней строке индуцируется надпись "СНИЗЬЗЕ НАГРУЗКУ" , в нижней мигает "РЕЖИМ ЗАЩИТЫ"

Как и в более ранних разработках в силовом узле применен отлично себя зарекомендовавший метод непосредственного управления симисторами постоянным  отрицательным током. Такой метод не создает помех и искажений в форме сетевой синусоиды, которые могут иметь место, при использовании оптосимисторной развязки.

ВАЖНО:   Можно запрограммировать любое количество ступеней от 3 до 14 с любыми значениями порогов!!!

Также можно запрограммировать любые параметры значений минимальной, промежуточной и максимальной мощности, температуры и частоты и любые надписи�даже имя и фамилию при загрузке!!! Все обсуждается!!!

Схема стабилизатора с рабочим диапазоном 116-272 Вольт 14 ступеней (в формате PDF).

Конструкция и детали:

Рабочий диапазон входного напряжения , В . . . . . . . . . . . . . . . . .116�272
Выходное напряжение стабилизатора, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213�227
Максимальная мощность нагрузки, кВт. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7,5
Время переключения (отключения) нагрузки, мс . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Работоспособность контроллера при напряжении в сети, B . . . 100...380

Печатная плата выполнена на 14 ступеней,  но может быть использована для любого числа от 3 до 14 (для увеличения нажмите на рисунок)

 Фото печатной платы

Фото контроллера (вариант на 6 ступеней)

Все детали в схеме являются доступными, поэтому аналоги не приводятся. Исключением являются прошитый микроконтроллер AT mega 8535-16PI и ЖК дисплей TJDM-1602C которые можно заказать и получить по почте.
Контроллер стабилизатора собран на печатной плате 95 x 105 мм. из одностороннего фольгированного стеклотекстолита толщиной 2 мм.

 
Файл печати устройства Pechat_ATmega8535_14st.lay (110,0 kb) выполнен с помощью программы Sprint Layout 5.0, 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 5.0, то ее можно скачать здесь

В авторском варианте ЖК дисплей и светодиоды HL1�HL16 смонтированы со стороны печатных проводников, чтобы при установке печатной платы в корпус они вставлялись в отверстия диаметром 3 мм, и соответствующее отверстие для дисплея, выполненные в передней панели устройства. ЖК дисплей установлен со стороны печати с одной стороны при помощи контактного разъема а с другой пластиковых стоечках.
Контролер в этом случае устанавливается печатью к передней панели на стойки соответствующей высоты, прикрученые к передней панели корпуса стабилизатора винтами 3 мм в патай.

В качестве десплея в данном варианте использован TJDM1602C c синей подсветкой. Помимо того, что он очень красиво смотрится (особенно в темноте), он еще и в 3 раза меньше потребляет по сравнению с дисплеем MT-16S2H-2YLG, который использовался в более ранних разработках. Дисплей MT-16S2H-2YLG также может быть использован, но без подключения подсветки.

 
Номинал токоограничительного резистора R17 необходимо подобрать так, чтобы ток протекающий через светодиоды оптотронов U1.1...U14.1 был в пределах 9...10мА.
Подстроечные резисторы R1, R18 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3 или их импортные аналоги.
Постоянные резисторы R10...R13 желательно использовать типа С2-23, С2-33(металлодиэлектрические) c мощностью рассеивания не менее той, что указана в схеме. Остальные - могут быть любого типа.
Электролитические конденсаторы C1,C3,С4,С5,С7,С11,С12 могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Конденсаторы C2,С4,С6,С9,С10,С13 � любые пленочные или керамические. Конденсаторы C14-C28 � пленочные на напряжение не ниже 630В.
Транзисторные оптроны РС817 (U1...U14) служат для гальванической развязки логического контроллера от силовой части стабилизатора. Мощные симисторы VS1...VS14  ТС132-50-12.
Все симисторы VS1...VS14 устанавливаются на один теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности не менее 1500 кв.см. с использованием изолирующих керамических или слюдяных прокладок, желательно с использованием термопасты для обеспечения надежного теплоотвода.

ВАЖНО:  Цепочка R51, R52, VT15, VS15, R36, C28 используется только в стабилизаторе со схемой коммутации автотрансформатора Т3 "по выходу" для ограничения входного напряжения на входе автотрансформатора Т3 на уровне 272 вольта. Это необходимо для снижения коэффициента отношения виток/вольт при намотке Т3, и как следствие для сокращения общего числа витков обмотки Т3, экономии меди, требуемого для обмотки, и экономии на размерах и количестве железа для сердечника. Это актуально для стабилизаторов мощностью более 5 кВт, т.к для их намотки используется провод значительного сечения, и приходится выбирать сердечник с большим внутренним диаметром, для того что бы в него поместилась обмотка.

Если же для стабилизатора выбрана схема коммутации "по входу" - вывод 27 DD1 остается незадействованным, и детали R51, R52, VT15, VS15, R36, C28 не нужны.

Блок питания выполнен на двух микросхемах МС33063А и не требует их установки на радиатор (для увеличения нажмите на рисунок)

Фото платы блока питания в СМД исполнении (в авторском варианте на плате вместо R7, R8 стоит подстроечный резистор на 4,7кОм для точной подстройки 5,0 вольт)

Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 40 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 10 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 и IV содержат по 685 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,25 мм, обмотка III содержит 115 витков провода диаметром 0,1 мм. При номинальном напряжении сети 220 В напряжение выходной обмоти II и IV  должно составлять 20 Вольт при токе в нагрузке 200 мА, а обмотки III - 3 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) служит нагрузкой в моменты переключения со ступени на ступень, сглаживая броски самоиндукции автотрансформатора Т3.

Автотрансформатор T3 на 7,5 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном ленточном сердечнике габаритной мощностью 4 кВт.  

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 катоды всех симисторов объединяются общей шиной и подключаются к выходу 1, а резистор R21 подключается выходу 2 блока питания, выполненному на DA2

Настройка:

В первую очередь необходимо проверить работоспособность блока питания во всем рабочем диапазоне стабилизатора. Для этого необходимо нагрузить микросхемы стабилизаторов DA1-DA2 сопротивлениями 24 Ом на 2 Вт и меняя ЛАТРом входное напряжение на Т1 с 220 до 110 Вольт убедиться в наличии стабильного напряжения +5В на их выходе. 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 R1 внутренний вольтметр входного напряжения (левая часть верхней строки ЖК дисплея) настраивается на показания эталонного вольтметра. От этой настройки зависит точность переключния стабилизатора со ступени на ступень по заданным порогам.
Далее трансформатор Т2 на время подключается к сети и подстроечным резистором R18 внутренний вольтметр выходного напряжения (правая часть верхней строки ЖК дисплея) настраивается на показания эталонного вольтметра. От этой настройки зависит точность показаний мощности нагрузки на ЖК дисплее.

Датчик тока и температуры настройки не требует.

После окончания настройки внутренних вольтметров можно подключать контроллер к автотрансформатору к силовым симисторам.

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