Стабилизатор сетевого напряжения с микроконтроллерным управлением. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники / Микроконтроллеры

 Комментарии к статье

Длительное отклонение сетевого напряжения более чем на 10 % от номинального значения 220 В во многих районах нашей страны, к сожалению, стало нередким явлением.

При повышенном (до 240...250 В) напряжении в сети значительно сокращается срок службы осветительных приборов, увеличивается нагрев трансформаторных блоков питания и двигателей в компрессорах холодильников.

Снижение сетевого напряжения ниже 160... 170 В вызывает значительное увеличение нагрузки на ключевые транзисторы в импульсных блоках питания (это может привести к их перегреву и последующему тепловому пробою), а также заклинивание двигателей в компрессорах холодильников, что тоже приводит к их перегреву и выходу из строя.

Еще большие колебания напряжения у однофазных потребителей, питающихся от трехфазной сети, возникают в случае обрыва нулевого провода на участке от точки подключения потребителя к четырехпроводной сети до трансформаторной подстанции. В этом случае вследствие перекоса фаз напряжение в розетке может изменяться от нескольких десятков вольт вплоть до линейного 380 В, что неминуемо приведет к повреждению практически всей сложной бытовой техники, подключенной к розетке. Избежать неприятностей, связанных с экстремальными колебаниями напряжения в сети, поможет предлагаемый стабилизатор.

Для стабилизации напряжения сети в бытовых условиях используют в основном феррорезонансные стабилизаторы. К числу их недостатков следует отнести искажение синусоидальной формы выходного напряжения (к примеру, холодильник к такому стабилизатору подключать запрещается), ограниченную мощность стабилизаторов бытового назначения (300...400 Вт) при значительных массогабаритных показателях, невозможность работы без нагрузки, узкий диапазон стабилизации и выход из строя при повышенном напряжении в сети.

От указанных недостатков свободен компенсационный стабилизатор напряжения, структурная схема которого показана на рис. 1.

Работает он по принципу ступенчатой коррекции напряжения, осуществляемой переключением отводов обмотки автотрансформатора Т1 с помощью симисторных ключей Q2-Q6 под управлением микроконтроллера (МК), следящего за уровнем напряжения в сети.

Примененный в стабилизаторе способ оценки амплитуды сетевого напряжения крайне прост в реализации и обеспечивает вполне достаточную для данного применения точность измерения. Однако он накладывает ряд ограничений на возможное применение устройства. Прежде всего, частота сетевого напряжения должна оставаться постоянной (50 Гц). Это условие может нарушаться, например, если энергоснабжение производится от автономного дизель-генератора. Кроме того, точность измерения уменьшается с ростом нелинейных искажений формы сетевого напряжения, возникающих при работе близко расположенных мощных потребителей с сильно выраженным индуктивным характером нагрузки.

Принципиальная схема устройства изображена на рис. 2.

(нажмите для увеличения)

По записанной в памяти программе МК DD1 производит измерение сетевого напряжения в каждом периоде (20 мс). С делителя R1R2 отрицательные полуволны сетевого напряжения, проходя через стабилитрон VD1, формируют на нем импульсы с амплитудой, определяемой напряжением стабилизации стабилитрона, в данном случае 10 В.

С делителя R3R4, уменьшающего амплитуду полученного сигнала до ТТЛ уровня (рис. 3), эти импульсы приходят на линию 0 порта А, настроенную на ввод. С помощью подстроечного резистора R4 нижний уровень сигнала на входе МК установлен на 0,2...0,3 В ниже уровня лог. 0. При комнатной температуре и стабилизированном напряжении питания уровень напряжения перехода цифрового входа КМОП микросхемы из состояния лог. 1 в состояние лог. 0 (и обратно из 0 в 1 с некоторым гистерезисом, которым в данном случае можно пренебречь ввиду его постоянного значения) остается практически постоянным.

Как видно из рис. 3, при изменении сетевого напряжения от 145 до 275 В длительность импульсов, соответствующих лог. 0, изменяется примерно от 0,5 до 6 мс. Измеряя длительность этих импульсов, программа МК вычисляет уровень сетевого напряжения в текущем периоде. (R4.1 - сопротивление части резистора R4 от нижнего - по схеме - вывода до движка).

После включения стабилизатора сетевое напряжение контролируется в течение 5 с. Если оно находится в пределах 145...275 В, мигает зеленый светодиод HL2 "Нормальное", в противном случае загораются светодиод HL3 "Низкое" или HL1 "Высокое" (в зависимости от значения сетевого напряжения). В таком состоянии стабилизатор находится до тех пор, пока напряжение в сети не войдет в заданные пределы.

Если по прошествии 5 с напряжение в сети остается в допустимых пределах, МК выдает команду на открывание симистора VS1, через который автотрансформатор Т1 подключается к сети. После этого МК еще в течение 0,5 с производит контрольные замеры сетевого напряжения, а затем, в зависимости от результата измерения, открывает один из симисторов VS2-VS6, тем самым подключая нагрузку к одному из пяти отводов автотрансформатора. Гальваническая развязка симисторов с МК осуществляется тиристорными оптронами U1- U6.

В процессе регулирования открывающий импульс снимается с включенного симистора в конце полупериода синусоиды сетевого напряжения. После этого программа МК выдерживает паузу 4 мс, а затем подает открывающий импульс на другой симистор. Длительность задержки между переключениями симисторов может быть увеличена изменением в начале программы (в блоке описания констант) соответствующего значения времени задержки (см. комментарии в исходном тексте программы). Увеличение этого времени до 10...15 мс необходимо в случае, если к стабилизатору подключена индуктивная нагрузка с коэффициентом мощности меньше 0,7...0,8.

При отклонении сетевого напряжения за допустимые пределы автотрансформатор вместе с нагрузкой отключается симистором VS1. Светодиоды HL1-HL8 индицируют состояние стабилизатора и уровни напряжения в сети.

В зависимости от величины сетевого напряжения U выводы дополнительных обмоток автотрансформатора переключаются в следующем порядке:

• U < 145 В - нагрузка отключена, горит красный светодиод HL3 ("Низкое");
• 145< U < 165 В - нагрузка подключена к выводу 7 (далее для краткости указаны только номера выводов, к которым подключена нагрузка), горит красный светодиод HL8 ("+20%"), мигает HL3 ("Низкое");
• 165 < U < 190 В - вывод 7, горит HL8 ("+20%");
• 190 < U < 205 В - выводы 8 и 8', горит желтый светодиод HL7 ("+10%");
• 205 < U < 235 В - вывод 1, горит зеленый светодиод HL6 ("0%");
• 235 < U < 245 В - выводы 6 и 6', горит желтый светодиод HL5 ("-7,5 %");
• 245 < U < 265 В - вывод 5', горит красный светодиод HL4 ("-15%");
• 265 < U < 275 В - вывод 5', горит красный светодиод HL4 ("-15%"), мигает HL1 ("Высокое");
• U > 275 В - нагрузка отключена от сети, горит красный светодиод HL1 ("Высокое").

Для предотвращения беспорядочного переключения симисторов в случае, если сетевое напряжение находится на пороге переключения отводов автотрансформатора, в программу введен некоторый "гистерезис" в срабатывании. Например, если при увеличении сетевого напряжения от 189 до 190 В будет произведено переключение нагрузки с отвода "+20%" на "+10%", то обратно на "+20%" МК переключит нагрузку только тогда, когда сетевое напряжение снизится примерно до 187 В. Задержка между изменением напряжения в сети и соответствующим переключением отводов автотрансформатора не превышает 40 мс.

При "провале" сетевого напряжения ниже 145 В на время более 100 мс (можно изменять, см. комментарии в исходном тексте программы) МК отключает автотрансформатор с подключенной к нему нагрузкой от сети, при этом гаснет зеленый светодиод HL2 "Нормальное" и загорается красный светодиод HL3 "Низкое". В случае, если напряжение в сети поднялось выше 275 В, контролируемая нагрузка будет отключена от сети через 40 мс и загорится красный светодиод HL1 "Высокое".

После того как напряжение в сети вернется к норме (145<U<275 В), МК в течение 15 с проводит контрольные замеры его уровня. Этот процесс сопровождается миганием зеленого светодиода HL2 "Нормальное". Если по прошествии этого времени сетевое напряжение не выходило за указанные пределы, HL2 перестает мигать и горит постоянно, но питание на нагрузку будет подано только после нажатия кнопки SB1.

При пропадании сетевого напряжения заряда конденсатора С2 хватает примерно на 30 с поддержания нормальной работоспособности МК, затем программа зависает, вследствие чего срабатывает встроенный в МК независимый сторожевой таймер (WDT). Информация о сигнале от этого таймера сохраняется в памяти МК еще примерно в течение 3 мин (пока конденсатор С2 не разрядится практически до нуля). Если в это время сетевое напряжение восстановится, вновь запущенная программа, обнаружив в памяти сигнал от WDT, будет ожидать нажатия кнопки SB1. Таким образом, восстановление сетевого напряжения по прошествии 4...5 мин после выключения будет расценено стабилизатором как штатное и, следовательно, через 5 с (время контрольного тестирования напряжения в сети) нагрузка через автотрансформатор окажется подключенной к сети.

В случае, если стабилизатор работает, к примеру, совместно с источником бесперебойного питания или другим устройством, для которого возможные циклы беспорядочного включения-выключения напряжения из-за нарушения работы электросети не критичны, ожидание в программе нажатия кнопки SB1 можно обойти (см. комментарии в исходном тексте программы).

Нажатие на кнопку SB1 в течение 2 с при нормальной работе устройства приводит к отключению нагрузки, и стабилизатор переходит в дежурный режим, аналогичный тому, который происходит после пропадания напряжения в сети.

Питается МК DD1 от двух источников стабилизированного напряжения 5 В. В дежурном режиме, когда автотрансформатор Т1 отключен от сети (симис-тор VS1 закрыт), потребляемый устройством управления ток минимален (20...25 мА) и питание осуществляется от бестрансформаторного источника, состоящего из балластного конденсатора С1 и стабилитрона VD3. Этот источник обеспечивает стабильную работу микроконтроллера при изменении напряжения сети от 100 до 400 В.

При переходе устройства из дежурного режима в рабочий, когда автотрансформатор Т1 вместе с нагрузкой подключается к сети (включены оптрон U1, один из оптронов U2-U6, а также один из светодиодов HL4-HL8 и, возможно, HL1 или HL3, мигающие при приближении напряжения сети к границам разрешенного диапазона), потребляемый ток возрастает примерно до 100 мА. В этом режиме мощности бестрансформаторного источника питания оказывается недостаточно для поддержания стабильного (без заметных пульсаций) напряжения питания 5 В. Для исключения влияния нестабильности напряжения питания МК на результат измерения сетевого напряжения в устройстве предусмотрен второй источник стабилизированного напряжения 5 В, собранный на интегральном стабилизаторе DA1. Цепь C6R5R6 при включении устройства в сеть формирует выдержку времени перед запуском МК, необходимую для того, чтобы напряжение на конденсаторе С2 успело возрасти до уровня, обеспечивающего нормальную работу МК.

В стабилизаторе применены постоянные резисторы МЛТ, подстроечные (R2, R4) СП5-2. Конденсатор С1 - МБГЧ с номинальным напряжением не менее 500 В. Возможно использование конденсатора К73-17 с номинальным напряжением 630 В (следует, однако, учесть, что допустимая амплитуда переменного напряжения этого конденсатора не превышает 315 В). Стабилитрон VD3 желательно подобрать с напряжением стабилизации на 0,05...0,1 В большим, чем напряжение на выходе стабилизатора DA1.

Симисторы КУ208Г заменимы любыми другими, рассчитанными на требуемый ток и напряжение в закрытом состоянии не менее 400 В.

Автотрансформатор Т1 переделан из сетевого трансформатора ТС-180-2 (от старого черно-белого телевизора). В режиме автотрансформатора он способен питать нагрузку мощностью до 1 кВт [1]. Витой магнитопровод этого трансформатора состоит из двух П-образных частей, на которых размещены каркасы с обмотками. Обмотки, номера которых на схеме указаны без штрихов, намотаны на одном каркасе, со штрихами - на другом. Если ограничиться длительной выходной мощностью стабилизатора 250...300 Вт, первичные обмотки 1-2 и 1'-2', содержащие по 450 витков провода ПЭВ-2 0,9, можно оставить без изменения. Все вторичные обмотки трансформатора в этом случае удаляют и на их место наматывают новые проводом ПЭВ-20,9 мм. Обмотки 5-6 и 5'-6' должны содержать по 75, 7-8 и 7'-8' - по 100, обмотка 9-10 - 35 витков. Если же необходима большая мощность, обе первичные и все вторичные обмотки следует перемотать проводом соответствующего большего сечения [1].

Все детали стабилизатора напряжения, за исключением конденсатора С1, стабилитрона VD3, симисторов VS1 - VS6 и автотрансформатора Т1, смонтированы на печатной плате размерами 60x110 мм из двусторонне фольгиро-ванного стеклотекстолита. Для подключения МК на плате установлена 18-гнездная панель. Симисторы VS1-VS6 снабжены П-образными теплоотвода-ми с площадью рассеяния по 25 см2, согнутыми из листового алюминиевого сплава толщиной 2 мм. Вместе со стабилитроном VD3 они закреплены на отдельной плате размерами 60x110 мм из стеклотекстолита. Для уменьшения шума от работающего автотрансформатора на основании корпуса стабилизатора по углам желательно наклеить четыре кружка из мягкой резины диаметром 15 и толщиной 5 мм. Вид на монтаж стабилизатора показан на рис. 4.

Коды "прошивки" МК приведены в таблице.

(нажмите для увеличения)

При программировании в байте конфигурации указывают: тип генератора - HS, WDT и Power-up timer включены.

Исходный текст программы

Налаживание стабилизатора начинают с проверки правильности соединения обмоток автотрансформатора. Для этого его первичную обмотку 1-1' подключают к сети и измеряют напряжение между выводами 5-5' и 7-7'. При напряжении сети 220 В на первой из них должно быть 33, на второй - 44 В. Если вместо этого измеряемое напряжение равно 0, необходимо поменять местами выводы обмоток 5-6 или 7-8 в зависимости от того, в каком случае напряжение оказалось равным 0. Затем измеряют напряжение между точками Г и 5'. Если вместо 187 получилось 253 В, меняют местами выводы 5 и 5'. В заключение проверяют напряжение между точками 1'и 7, которое должно быть равно 264 В. Напряжение 176 В говорит о том, что необходимо поменять местами выводы 7 и 7'.

Для настройки пределов напряжения, при которых МК производит соответствующие переключения отводов автотрансформатора, потребуются регулируемый источник переменного напряжения (ЛАТР), вольтметр переменного тока с переделом измерения 300 В и осциллограф. Настраивают стабилизатор в такой последовательности.

Переместив движок подстроечного резистора R2 в нижнее (по схеме) положение, подключают стабилизатор к ЛА-ТРу и устанавливают (по вольтметру) на его выходе напряжение 145 В. Затем, медленно перемещая движок резистора вверх (также по схеме) и наблюдая на экране осциллографа форму напряжения на стабилитроне VD1, доводят амплитуду сигнала до уровня, который приблизительно на 0,1 В больше его напряжения стабилизации (начало появления на осциллограмме характерной площадки, см. рис. 3). Далее устанавливают движок подстроечного резистора R4 в нижнее (по схеме) положение (при этом должен зажечься красный светодиод HL3) и медленно перемещают его вверх до тех пор, пока не начнет мигать зеленый светодиод HL2.

После этого к выходу стабилизатора подключают лампу накаливания мощностью 100...200 Вт. Плавно повышая напряжение на выходе ЛАТРа до 290 В, по светодиодам HL4-HL8 проверяют значения напряжения, при которых происходит переключение отводов автотрансформатора, а также верхний предел входного напряжения, при котором МК отключает нагрузку. Желательно также, по возможности, проверить работоспособность стабилизатора при длительной подаче на его вход линейного напряжения 380 В (от трехфазной сети).

Значения напряжений переключения отводов автотрансформатора можно изменить, скорректировав соответствующие константы в начале программы и перекомпилировав получившийся тексте помощью компилятора макроассемблера MPASM [2]. Вносить в исходный текст другие изменения, связанные с алгоритмом работы программы, нужно с особой осторожностью, отчетливо понимая смысл этих изменений. Возможное возникновение связанных с такой корректировкой ошибок может привести, например, к одновременному включению пары симисторов из VS2-VS6 (режим короткого замыкания) или переключению нагрузки при напряжении в сети 250 В на отвод "+20 %" и т. п.

Литература

1. Никифоров И. Упрощенный расчет сетевого трансформатора. - Радио, 2000, № 10, с. 39.
2. microchip.ru

Автор: С.Коряков, г.Шахты Ростовской обл.

Смотрите другие статьи раздела Микроконтроллеры.

Читайте и пишите полезные комментарии к этой статье.

<< Назад

Последние новости науки и техники, новинки электроники:

Расставание действительно может причинять физическую боль 16.09.2026

Разрыв отношений с близким человеком способно вызывать настолько сильные переживания, что привычное выражение "разбитое сердце" иногда воспринимается почти буквально. Человек может испытывать тревогу, тоску и эмоциональное напряжение, сопровождающиеся вполне реальными телесными ощущениями. Исследования работы мозга показывают, что такая связь между эмоциональными и физическими страданиями может иметь вполне определенную нейробиологическую основу. Эксперимент, позволивший изучить этот вопрос, провела команда психолога Итана Кросса из Мичиганского университета. В исследовании участвовали 40 человек, недавно переживших расставание по инициативе партнера. Все добровольцы продолжали остро реагировать на произошедшее, что позволило исследователям изучить мозговую активность в период наиболее сильных переживаний. Во время эксперимента участников помещали в аппарат магнитно-резонансной томографии. Испытуемым поочередно показывали фотографию бывшего партнера и подвергали предплечье воздей ...>>

Научно доказана невозможность создания нейтринного лазера 16.09.2026

Лазер давно перестал быть исключительно лабораторной технологией: сегодня он используется в связи, медицине, промышленности и научных исследованиях. Поэтому физики периодически предлагают необычные варианты устройств, способных работать по аналогичным принципам, но с другими типами частиц. В 2025 году появилась идея создать лазер, формирующий направленный поток нейтрино. Однако последующий теоретический анализ показал, что привлекательная на первый взгляд концепция сталкивается не просто с техническими трудностями, а с фундаментальными законами квантовой физики. Первоначальную концепцию предложили профессор Массачусетского технологического института (MIT) Джо Формаджио (Joe Formaggio) и Бен Джонс (Ben Jones) из Техасского университета в Арлингтоне. Согласно их замыслу, облако радиоактивных атомов следовало охладить до сверхнизких температур порядка нанокельвинов - миллиардных долей кельвина. В таких условиях атомы могли бы сформировать Бозе - Эйнштейновский конденсат, особое квантов ...>>

Индекс нижнего белья раскрыл состояние швейцарских почв 15.09.2026

Почва кажется обычной частью окружающего нас ландшафта, однако под ее поверхностью существует сложная экосистема, от состояния которой напрямую зависит жизнь человека. Миллиарды микроорганизмов, черви, грибы и другие обитатели почвы перерабатывают органические вещества и участвуют в круговороте питательных элементов. Чтобы привлечь внимание общества к этой мало заметной проблеме, исследователи из Цюрихского университета придумали весьма необычный эксперимент: они закопали более 2000 пар хлопкового нижнего белья в садах, на лугах, полях и газонах по всей Швейцарии. Проект получил название "Доказательство в виде нижнего белья" и представлял собой не массовую шутку, а научный эксперимент, позволяющий наглядно оценить биологическую активность почвы. Исследователи помещали хлопковые изделия в землю, а примерно через два месяца извлекали их и сравнивали степень разрушения ткани. Некоторые образцы за это время практически исчезали, оставляя лишь отдельные фрагменты швов, тогда как на други ...>>

Случайная новость из Архива У пчел есть эмоции и смены настроения 15.10.2016 Пчелы могут испытывать что-то похожее на счастье, после того как получают угощение, которое заставляет их чувствовать себя более оптимистичными. Мы обычно думаем об эмоциях, как о внутреннем осознании чувства, но в этом вопросе скрыто гораздо больше, говорит Клинт Перри из университета королевы Мэри в Лондоне. Физические изменения и сдвиги в поведении сопровождают ощущения счастья и печали. Чтобы увидеть, есть ли у пчел схожие паттерны, Перри с коллегами натренировал 24 пчелы так, чтобы насекомые ассоциировали определенные локации и цвета в лаборатории с цилиндрами сахарной или обыкновенной воды. Потом ученые закрыли эти цилиндры, а половине пчел дали воду с высоким содержанием сахара - пчелиный эквивалент шоколада - и замерили время, которое насекомым понадобилось, чтобы забраться в контейнер с отверстием. Он располагался между двумя закрытыми цилиндрами и был выкрашен в средний цвет, чтобы пчелы не знали, есть ли там сахарная вода или нет. Пчелы, которые получили сахарную дозу быстрее залезали в непонятную среднюю кормушку, словно были настроены оптимистичнее относительно возможности того, что там есть еда. И они не просто действовали более активно из-за прилива энергии. Как пчелы, получившую дозу сахара, так и остальные с одинаковой активностью лезли в контейнер, где точно была еда, и с одинаковой неохотой в цилиндр с простой водой. Чтобы посмотреть, может ли кусочек сахара убрать негативный опыт, исследователи сымитировали атаку хищника, аккуратно поместив 35 насекомых в ловушку, которая походила на паутину пауков-крабов. Эти пауки часто охотятся на пчел, но те могут от них вырваться. Потом насекомых из ловушки выпустили. Пчелы, получившие сахар, полетели к кормушке в четыре раза быстрее чем те, которым не дали ничего. Можно предположить, что сладкая еда усиливает позитивные эмоции и помогает оправиться от негативных - прямо как у людей. После того, как пчелам дали лекарство, блокирующее дофамин, который отвечает у человека за систему поощрения, все эффекты от сахара фактически исчезли. Это предполагает, что пчелы ведут себя в соответствии с настроением, говорит Перри.

Другие интересные новости:

▪ Как мозг запоминает лица

▪ Тестостерон мешает мужчинам думать

▪ 3D-графен

▪ Оптоволоконный приемопередатчик Ethernet

▪ Пластмасса с памятью

Лента новостей науки и техники, новинок электроники

Интересные материалы Бесплатной технической библиотеки:

▪ раздел сайта Жизнь замечательных физиков. Подборка статей

▪ статья Клиническая психология. Шпаргалка

▪ статья Как впервые получили чистый кристаллический йод? Подробный ответ

▪ статья Специалист по депозитарной деятельности. Должностная инструкция

▪ статья Широкополосный антенный усилитель ТВ сигналов. Энциклопедия радиоэлектроники и электротехники

▪ статья Угадывание предмета. Секрет фокуса

Оставьте свой комментарий к этой статье:

www.diagram.com.ua
2000-2026