Основные технические характеристики

Рабочий диапазон входного напряжения, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120…307
Выходное напряжение стабилизатора, В . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .205…235
Время переключения (отключения) нагрузки, мс . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Работоспособность контроллера при напряжении в сети, B . . . . . . . 100…380
Максимальная мощность в нагрузке. . . . . . . 5,5 кВт
Характер нагрузки. . . . . . . чисто активная (лампочки, тэны)

Схема стабилизатора представлена на рис.1
Схема стабилизатора Рис.1

Устройство содержит следующие узлы:

Блок питания на элементах T1, VD1, DA1, C2, C4.
Узел задержки включения нагрузки C1, VT1—VT3, R3—R7.
Выпрямитель для измерения амплитуды напряжения сети VD2C3 с делителем R1,R2.
Компаратор напряжения DA2, DA3, R17—R24.
Логический контроллер на микросхемах DD1—DD5.
Усилители на транзисторах VT4—VT12 с токоограничительными резисторами R33-R41.
Индикаторные светодиоды HL1—HL9, семь оптронных ключей, содержащих оптосимисторы U1—U7, резисторы R42—R62, симисторы VS1—VS7.
Напряжение сети подключено к соответствующему отводу обмотки автотрансформатора T2 через автоматический выключатель-предохранитель QF1 и через открытый симистор (один из VS1—VS7)

СТАБИЛИЗАТОР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ:

После включения питания конденсатор C1 разряжен, транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. Транзистор VT3 закрыт, а так как ток через светодиоды, в том числе входящие в состав симисторных оптронов U1—U7, может протекать только через этот транзистор, то ни один светодиод не горит, все симисторы закрыты, нагрузка отключена. Напряжение на конденсаторе C1 возрастает по мере его зарядки от источника питания через резистор R3.
По окончании трехсекундного интервала задержки, необходимого для завершения переходных процессов, срабатывает триггер Шмидта на транзисторах VT1 и VT2, транзистор VT3 открывается и разрешает включение нагрузки.
Напряжение с обмотки III трансформатора T1 выпрямляется элементами VD2C2 и поступает на делитель R1,R2.
Напряжение на движке подстроечного резистора R2, пропорциональное напряжению сети, поступает на неинвертирующие входы восьми компараторов (микросхемы DA2,DA3).
Резистор R1 необходим, что бы случайно не подать на входы компараторов напряжение выше чем напряжение питания.

На инвертирующие входы этих компараторов поступают постоянные образцовые напряжения с резисторного делителя R8—R16. Сигналы с выходов компараторов обрабатывает контроллер на логических элементах «исключающее ИЛИ» (микросхемы DD1—DD5).
На линии групповой связи рис.1 выходы компараторов DA2.1—DA2.4 и DA3.1—DA3.3 обозначены цифрами 1—7, а выходы контроллера — буквами A—H. Выход компаратора DA4.4 не входит в линию групповой связи.
Если напряжение сети меньше 120 В, на выходах всех компараторов и выходах контроллера низкий логический уровень. Транзистор VT4 открыт, включен мигающий светодиод HL1, индицирующий чрезмерно низкое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки.
Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Если напряжение сети меньше 137 В, но больше 120 В, логический уровень сигналов 1 и A высокий, остальных — низкий. Транзистор VT5 открыт, горят светодиоды HL2 и U1.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена с первым с низу по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS1.
Если напряжение сети меньше 157 В, но больше 137 В, логический уровень сигналов 1, 2 и B высокий, остальных — низкий. Транзистор VT6 открыт, горят светодиоды HL3 и U2.1, оптосимистор U1.2 открыт, нагрузка соединена со вторым с низу по схеме выводом обмотки автотрансформатора T2 через открытый симистор VS2.
Остальные уровни напряжения сети, соответствующие переключению нагрузки на другой отвод обмотки автотрансформатора T2: 179, 205, 235 и 268 В.
Для предотвращения многократного переключения нагрузки, в случае, когда напряжение сети колеблется на пороговом уровне, введен гистерезис 3-4 В (запаздывание переключения компараторов) с помощью положительной обратной связи через R25—R32. Чем больше сопротивления этих резисторов, тем меньше гистерезис.
Если напряжение сети больше 307 В, на выходах всех компараторов и выходе H контроллера высокий логический уровень. На остальных выходах контроллера —низкий уровень. Транзистор VT12 открыт, включен мигающий светодиод HL9, индицирующий чрезмерно высокое напряжение сети, при котором стабилизатор не может обеспечить питание нагрузки. Все остальные светодиоды погашены, симисторы закрыты, нагрузка отключена.
Стабилизатор выдерживает неограниченное время аварийное повышение напряжения сети до 380 В.

КОНСТРУКЦИЯ И ДЕТАЛИ.

Стабилизатор собран на печатной плате 100х140 мм из одностороннего фольгированного стеклотекстолита, чертеж которой показан на рис. 2
Рис.2 (рисунок печати)

Светодиоды HL1—HL9 смонтированы 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 на стойки соответствующей высоты, прикрученые к передней панели корпуса стабилизатора.
Номиналы токоограничительных резисторов R34-R40 выбраны так, чтобы ток протекающий через светодиоды симисторных оптронов U1.1-U7.1 был в пределах 12-14мА.
Зарубежный диодный мост DF005M (VD1,VD2) можно заменить отечественным КЦ407А или любым с напряжением не менее 50В и током не менее 0,4А.
Стабилизатор напряжения КР1158ЕН5А (DA1) может быть заменен на КР1158ЕН5Б. Микросхему счетверенного компаратора LM339N (DA2,DA3), можно заменить LM239N или отечественным аналогом К1401СА1. Микросхему 74AC86PC. (DD1-DD5), можно заменить отечественной КР1554ЛП5 или в крайнем случае КР555ЛП5 без изменений в печати.
Подстроечные резисторы R2, R8 и R16 проволочные многооборотные СП5-2 или СП5-3. Постоянные резисторы R9—R15 желательно подобрать с точностью не менее 0,5%.
СОВЕТ: Настоятельно советую резисторы R9—R32 использовать металлодиэлектрические типа С2-23 c допуском не ниже 1%(для обеспечения термостабильности), остальные могут быть любыми с допуском 5%, имеющие мощность рассеяния не ниже указанной на схеме. Электролитические конденсаторы C1—C4, могут быть любыми, с емкостью, указанной на схеме, и напряжением не ниже для них указанных. Конденсатор С3 лучшне использовать танталловый с напряжением не менее 35 Вольт. Конденсаторы C5-C7 — любые пленочные или керамические. Конденсаторы C8-C14 — пленочные на напряжение не ниже 630В.
Импортные симисторные оптроны MOC3061 (U1-U7) выбраны потому, что они содержат встроенные контроллеры перехода напряжения через ноль. Это необходимо для синхронизации выключения одного мощного симистора и включения другого, чтобы предотвратить замыкания обмоток автотрансформатора. Мощные симисторы VS1—VS3 BTA40-800,VS4—VS7 BTA40-600.
Все симисторы VS1—VS7 устанавливаются на один теплоотвод, с площадью охлаждающей поверхности не менее:
для 1,2кВт - 300 кв.см
для 2,2кВт - 500 кв.см
для 3 кВт - 700 кв.см
для 5,5 кВт - 1300 кв.см
для 6 кВт - 1400 кв.см
для 11 кВт - 2500 кв.см, желательно с использованием термопасты для обеспечения надежного теплоотвода. В случае использования отечественных симисторов радиатор необходимо изолировать от корпуса стабилизатора.
Микросхему стабилизатора КР1158ЕН5А (DA1) необходимо установить на теплоотвод, изготовленный из отрезка аллюминевой пластины или П-образного профиля с площадью поверхности не менее 25 см2.

Трансформатор T1 самодельный, рассчитанный на габаритную мощность 3 Вт, имеющий площадь сечения магнитопровода 1,87 см2. Его сетевая обмотка I, рассчитана на максимальное аварийное напряжение сети 380 В, содержит 8669 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,064 мм. Обмотки II и III содержат по 522 витков провода ПЭВ-2 диаметром 0,185 мм. При номинальном напряжении сети 220 В напряжение каждой выходной обмотки должно составлять 12 В.
Вместо самодельного трансформатор T1 можно применить два трансформатора ТПК-2-2x12В, соединенных последовательно по способу, описанному в [2] как показано на рис.3
Рис.3 (схема подключения Т1)

Файл печати устройства Pechat Stab-2.lay, который можно скачать ЗДЕСЬ (вариант с двумя трансформаторами ТПК-2-2x12В), 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.

Программу Sprint Layout 4.0 можно скачать ЗДЕСЬ

Автотрансформатор T2 на 6 кВт, также самодельный, намотанный на тороидальном магнитопроводе габаритной мощностью 3-4 кВт, способом, описанным в [3]. Его обмотка содержит 455 витков провода ПЭВ-2.
Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 3 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются шиной сечением 18,0 мм2 (2мм на 9 мм). Такое сечение необходимо, для того чтобы автотрансформатор не грелся в процессе длительной эксплуатации.
Отводы сделаны от 203, 232, 266, 305, 348 и 398-го витка, считая от нижнего по схеме вывода. Напряжение сети подается на отвод 266-го витка.
Если мощность нагрузки не превышает 2,2 кВт, то автотрансформатор T2 может быть намотан на статоре электродвигателя мощностью 1,5 кВт проводом ПЭВ-2. Отводы 1,2,3 мотаются проводом диаметром 2 мм. Отводы 4,5,6,7 мотаются проводом диаметром 3 мм
Число витков обмотки следует пропорционально увеличить в 1,3 раза. Ток срабатывания выключателя-предохранителя QF1 должен быть снижен до 20 А. Перед нагрузкой желательно поставить дополнительный автомат на 10А

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

А программу для расчета отводов автотрансформатора по своим габаритным размерам статора при известном значении магнитной проницаемости Вмах сердечника можно скачать ЗДЕСЬ

Для варианта до 2,2 кВт можно применить симисторы VS1-VS7 ВТА 41-600 (800).

Внешний вид платы с деталями показан на фотографии рис.4 (РАСПОЛОЖЕН НА ГЛАВНОЙ СТРАНИЦЕ САЙТА)

НАЛАЖИВАНИЕ:

Осуществляют с помощью ЛАТРа и двух цифровых вольтметров. Необходимо установить пороги переключения нагрузки и убедиться в том, что выходное напряжение стабилизатора находится в допустимых пределах для питаемой аппаратуры.
Обозначим U1, U2, U3, U4, U5, U6, U7, U8 — напряжения на движке подстроечного резистора R2, соответствующие напряжению сети 120, 137, 157, 179, 205, 235, 268, 307 В (пороги переключения и отключения нагрузки).
Вместо подстроечных резисторов R8 и R16 временно монтируют постоянные резисторы сопротивлением 820 Ом и 1,3 кОм соответственно.
Далее стабилизатор без автотрансформатора T2 включают в сеть через ЛАТР. На выходе ЛАТРа повышают напряжение до 235 В, затем движком подстроечного резистора R2 устанавливают напряжение U6 равное 2,4 В, измеряя его цифровым вольтметром. После этого понижают напряжение ЛАТРа до 120 В и измеряют напряжение U1. Пусть, например, оно равно 1,0 В.

Вычисляют шаг изменения напряжения на 1 вольт напряжения сети:
h=(U6 – U1)/(235-120)=(2,4-1,0)/115=0,01217,
отсюда шаг h1 в диапазоне 120-137 вольт составит:
h1 = (137-120)h = 0,2070 В
И заодно вычислим
h6= (268-235)h =0,4017 В
h7 =(307-268)h =0,4748 В

ток, текущий через делитель R8—R16
I=h1/R16=0,2074/170=1,217 мА,
Вычисляют сопротивления резисторов R8 и R16:
R9= U1/I=1,0/1,217=821 Ом,
R17= (Uпит-U6–h6-h7)/I=(5–2,4–0,4017-0,4748)/1,217 =1,415 кОм,
где Uпит — напряжение стабилизации микросхемы DA1.

Программу для расчета R8,R16 и граничных напряжений переключения можно скачать ЗДЕСЬ

Далее устройство отключают от сети и с помощью цифрового вольтметра устанавливают сопротивления резисторов R8 и R16, равные вычисленным значениям и монтируют их на плату вместо постоянных резисторов, упомянутых выше.
Снова включают стабилизатор и отслеживают переключение светодиодов, плавно увеличивая напряжения ЛАТРа от минимального до максимального и обратно.
Одновременное свечение двух и более светодиодов указывает на неисправность одной из микросхем DA2, DA3, DD1—DD5.
Неисправная микросхема должна быть заменена, поэтому удобнее установить на плате не сами микросхемы, а панели для них.
Убедившись в исправности микросхем, подключают автотрансформатор T2 и нагрузку — лампу накаливания мощностью 100…200 Вт.
Снова измеряют пороги переключения и напряжения U1—U8. Для проверки правильности расчетов, меняя ЛАТРом входное напряжение на Т1 необходимо убедиться в мигании светодиода HL1 при напряжении ниже 120 В, последовательном включении светодиодов HL2 — HL8 при пересечении порогов переключения, указанных выше, а также мигании HL9 при напряжении выше 307 в.
Если максимальное напряжение ЛАТРа меньше 307 В, устанавливают на его выходе 235 В и вычисляют напряжения U7 и U8:
U7=U6+h6=2,4+0,4017=2,80 В.
U8=U6+h6+h7=2,4+0,4017+0,4748=3,28 В.

Перемещают движок R2 вверх, проверяют, что при напряжении U7 загорается HL8, а при напряжении U8 мигает HL9 и происходит отключение нагрузки, затем возвращают движок R2 вниз, устанавливая прежнее значение U6, равное 2,4 В. Завершить налаживание стабилизатора желательно его подключением к напряжению 380 В на несколько часов.

Для работы стабилизатора на активно-индуктивную нагрузку в качестве силовых ключей необходимо использовать электромагнитные реле или пускатели.

 

Обсудить схему на форуме или оставить сообщение автору можно ЗДЕСЬ
 

ЛИТЕРАТУРА
1. Коряков С. Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением. — Радио, 2002, №8, с. 26—29.
2. Копанев В. Защита трансформатора от повышенного напряжения сети. — Радио, 1997, №2 с.46.
3. Андреев В. Изготовление трансформаторов. — Радио, 2002, №7, с.58


На главную страницу