Контроллер стабилизатора сетевого напряжения на симисторах. Подробная сборка. Часть 1
Прошло не мало времени с тех пор, как на моем стабилизаторе РЕСАНТА ACH-10000H/1-Ц вышел из строя контроллер. Наконец, пришло время вытащить его из угла и вернуть к полноценной «жизни». Ремонтом старого контроллера заниматься не буду, нормальной схемы стабилизатора в свое время я так и не нашел. В мои планы входит собрать схему управления стабилизатором с нуля, используя доступные и недорогие радиоэлементы, при этом реле заменим на симисторы. От старого стабилизатора буду использовать сам корпус, трансформатор, одно из четырех реле, корпусной вентилятор, пакетный выключатель и еще некоторую мелочёвку.
Нужно отметить, что цены на стабилизаторы всегда были немалые. Поэтому есть резон потратить некоторое время и собрать достойный стабилизатор своими руками. Ну, а заодно и попрактиковаться, и разобраться в принципах работы стабилизатора.
Итак, попробую расписать все подробно, чтобы даже человек впервые заглянувший внутрь стабилизатора не испугался предстоящих трудностей. Хотя придётся набраться немалого терпения.
Скажу, забегая наперед, стабилизатор хочу сделать на симисторах, т.е. переключения будут происходить бесшумно при переходе фазы через ноль. Одно реле планирую оставить только для полного размыкания цепи в случае слишком низкого или слишком высокого напряжения сети (при выходе за пределы рабочего диапазона стабилизатора). Т.е. щелкать «релюха» все-таки будет, но на пиковых значениях.
Определение выводов обмоток трансформатора
Заглянем в корпус стабилизатора и разберемся с обмотками трансформатора. На самом деле, этот трансформатор несколько отличается от обычного представления, где есть первичная и вторичная обмотка.
Данный трансформатор называют также автотрансформатором. Представляет он собой теродоидальный сердечник, на который намотана всего лишь одна обмотка. Но с этой обмотки сделано несколько отводов (как минимум три). Схематично можно изобразить следующим образом:
Выводов может быть больше или меньше, в зависимости от точности и ценовой категории стабилизатора. Есть обмотки (в моем случае она одна), на которые подается сетевое напряжение. Такая обмотка будет первичной. Есть обмотки, с которых напряжение снимается. При этом в конкретный момент времени напряжение снимается только с одной обмотки. Рассмотрим рисунки ниже.
Таким образом отводы, которые сделаны выше точки подключения сетевого напряжения будут повышающими, ниже понижающими.
Прежде всего лучше прозвонить обмотки с помощью омметра (мультиметра). Сопротивление обмоток трансформатора может составлять всего лишь несколько Ом и будет меньше с ростом мощности трансформатора (толщины проводников). Но это только резистивное сопротивление для сетевого переменного тока сопротивление будет гораздо больше.
Цель измерения определить нет ли обрыва или короткого замыкания в обмотке (сопротивление абсолютно не отличается от сопротивления замкнутых щупов прибора).
Дальнейшие действия необходимо проделывать с повышенной осторожностью.
Необходимо расположить все выводы обмоток таким образом, чтобы они не замыкали друг друга и были на виду.
Итак, аккуратно подаем сетевое напряжение на первичную обмотку трансформатора (в моем случае от РЕСАНТА ACH-10000H/1-Ц) между нейтральным проводом синего цвета и проводом красного цвета, который подходит к пакетному выключателю.
Замеряем сетевое напряжение на входе с помощью мультиметра, предварительно установив измерение переменного напряжения в диапазоне более 230 вольт.
Помечаем замеренное напряжение. И замеряем напряжение на всех выводах трансформатора. В моем случае их четыре – черный, зеленый, желтый и красный.
В моем случае измерения показали:
Сетевое напряжение – 218 вольт
Черный вывод – 184 В
Зеленый вывод — 218 вольт
Желтый вывод – 238 вольт
Красный вывод – 263 вольта
Отсюда можно сделать вывод: обмотка с черным выводом – понижающая, с желтым и красным выводом – понижающая, зеленый вывод подключается при нормальном сетевом напряжении.
Примечание: Сетевое напряжение может постоянно колебаться. Измерения желательно проводить двумя приборами. Важно, чтобы измерения на выводах обмоток были проведены при одном и том же сетевом напряжении (или хотя бы близком).
Проделанные выше измерения нужны не только для того, чтобы понять какие обмотки являются повышающими, какие понижающими. Также мы видим величину изменения напряжения при будущих переключениях обмоток.
Так если напряжение станет слишком высоким, мы сможем опустить его на величину 218-184=34 В. Станет слишком заниженным, сможем поднять на 263-218=45 В или 238-218=20 В в зависимости от глубины снижения.
При выборе нормального рабочего диапазона стабилизатора я учитывал, что:
— допустимым нормальным сетевым напряжением считается ±5% от 220В, т.е. (209-231) В
— бытовая техника лучше себя чувствует при чуть более завышенном напряжении, чем заниженном.
Таким образом, у меня получились следующие диапазоны, к которым необходимо приблизить работу стабилизатора:
Блок питания
Собственно определившись с обмотками трансформатора можно приступить к построению схемы. Переключать рабочие диапазоны будем с помощью операционных усилителей. Причем я принципиально выбрал самый распространённый и доступный операционный усилитель на базе LM358 в корпусе DIP для облегчения монтажа. У этих операционников нет диодной защиты по входу, и они вполне пригодны для использования в качестве компаратора. Поскольку у меня четыре рабочих диапазона мне понадобится пять операционных усилителей или 3 микросхемы LM358 (два ОУ в одном корпусе). Но об этом немного позже. Начинать построение схемы все же нужно с источника питания.
В процессе настройки нам также потребуется лабораторный блок питания. Причем желательно с низким уровнем пульсации на выходе. Сейчас же нам понадобится создать источник питания и подключить к нему нагрузку (в виде частично собранной схемы). У нас остался еще один неизмеренный параметр – коэффициент трансформации. Но нам необходимо измерить его не как отношение напряжения на первичной обмотке по отношению к вторичной. Измерение должно быть по отношению к напряжению на выходе нестабилизированного источника питания, причем с подключенной частью схемы, которую использует этот источник. Это измеряемое напряжение и будет с одной стороны управляющим, с другой стороны запитывающим все элементы схемы. Блок питания должен обеспечивать как минимум — низкий уровень пульсаций, работу во всех рабочих диапазонах сетевого напряжения, защиту от коротких замыканий.
Для получения управляющего напряжения используется специальный вывод от трансформатора. Собственно это еще одна обмотка вокруг сердечника, только она не рассчитана на большие токи. Напряжение на ее выходах порядка 16-17 вольт переменного тока при сетевом напряжении — 220В. Нестабилизированный источник постоянного тока сделать не сложно. Вот простая схема:
Здесь С1 – конденсатор для подавления высокочастотных сетевых помех, диодный мост может быть выполнен из любых выпрямительных диодов, С2, С3 – конденсаторы большой емкости для сглаживания 100 Гц пульсаций. Здесь важно не забывать без нагрузки пульсации будут минимальными. Чем выше нагрузка, тем быстрее происходит разряд конденсаторов – пульсации увеличиваются. Чтобы при отсутствии нагрузки конденсаторы разряжались быстрее, можно установить параллельно выходу «гасящий» резистор со светодиодом. Это полезно, так как, если конденсатор источника питания остается заряженным после того как источник выключен, можно легко повредить какие-нибудь схемные элементы, ошибочно считая, что напряжения в схеме нет. После сборки такой источник питания желательно проверить, подключив его к соответствующему выводу трансформатора.
Сделаем первые предварительные замеры. Напряжение постоянного тока стало выше, приблизительно в √2. Т.е. теперь мы имеем 23-24В при том же сетевом напряжении. И можно уже приблизительно рассчитать каким будет управляющее напряжение при минимально допустимом рабочем напряжении стабилизатора. Так если при сетевом напряжении 220В напряжение постоянного тока на выходе 22,5 В, то при 167 В – 167/(220/22,5)=17В. Это значит, что даже при низком сетевом напряжении у нас будет достаточный запас напряжения для нормальной работы схемы.
Это напряжение отлично нам подойдет для управления работой компараторов. А пока воспользуемся им для создания стабилизированного источника напряжения. Вполне логично было бы использовать обычный преобразователем DC-DC коих сейчас полным-полно. Но не стоит этого делать. Выходные характеристики таких модулей будут недостаточно качественными. И даже при построении обратной связи на компараторах, приведут к растянутым фронтам переключений, вплоть до одновременного подключения двух вторичных обмоток трансформатора. Так что я отдал предпочтение линейным стабилизаторам. А точнее всем знакомой микросхемке LM317T. А почему нет. Во-первых, она регулируемая – на выходе можно установить требуемое напряжение. Потом при добавлении к схеме нескольких элементов, она превратится в настоящую крепость. Рассмотрим схему ниже:
Более подробно работа 317 стабилизатора описана в статье «трехвыводные и четырехвыводные стабилизаторы». Напомню лишь следующее:
— если стабилизатор расположен на значительном расстоянии от конденсатора фильтра, следует применить входной конденсатор С1 емкостью 0,1 мкФ
— резисторы R1 и R2, собственно, задают выходное напряжение Uвых = 1,25(1 + R2 /R1) В
— добавление шунтирующего конденсатора С2 емкостью 10 мкФ между выводом для регулировки и землей увеличивает подавление пульсаций (всплесков) почти на 15 дБ (в 5 раз по напряжению)
— алюминиевый электролитический конденсатор С3 емкостью 25 мкФ на выходе улучшает переходные процессы
— разрядный диод D1 защитит от короткого замыкания на выходе
— диод D2 защитит от короткого замыкания на входе (D1, D1 – 1N4001)
К тому же сама микросхема снабжена внутренней защитой от повреждений в случае перегрева или чрезмерного тока нагрузки (не сгорает, а выключается). Предусмотрена защита прибора при выходе из области безопасной работы за счет уменьшения предельно возможного выходного тока при увеличении разности входного и выходного напряжений. Не так уж плохо за совсем небольшие деньги.
Для работы всех компараторов необходим единый источник опорного напряжения. Здесь можно применить обычный стабилитрон. Но я отдал предпочтение трехвыводному стабилизатору 78l05 с более точными выходными характеристиками. Обвязки ему практически не требуется, кроме как двух конденсаторов на входе и на выходе.
Конденсаторы ставить очень даже желательно. Конденсатор, поставленный параллельно выходу, улучшает переходные процессы и удерживает полное выходное сопротивление на низком уровне при высоких частотах. На входе ставим, если от предыдущего источника имеется значительное расстояние. На выходе получаем около 5 вольт опорного напряжения. Разумеется, подключаем 78l05 уже на выходе основного стабилизатора, в целом получаем:
Таким образом, между питающим напряжением и напряжением опорным имеется зазор около 2 вольт, что вполне достаточно для нормальной работы 78l05. Нагрузка на проходные транзисторы снизилась. Теперь опорное напряжение будет оставаться неизменным даже при изменении сетевого напряжения. Итак, имеющиеся низкие пульсации на входе — на выходе станут еще меньше. Получаем очевидные плюсы.
Логика работы
Пришло время приступить к построению схемы. В основе, как я уже говорил выше, будут находиться операционные усилители на LM358. Недорогая и распространённая микросхемка. Для переключения в четырех рабочих диапазонах сетевого напряжения понадобится пять операционных усилителей (три микросхемы). На один из входов (неинвертирующий) каждой будем подавать уже имеющееся у нас опорное напряжение. На второй вход (инвертирующий) будем подавать управляющее напряжение, т.е. напряжение, которое мы снимаем с нестабилизированного источника, после конденсатора фильтра. Подавать управляющее напряжение на входы операционников необходимо через делитель. Этот делитель как раз и будет определять диапазоны переключений и позже его придется настраивать. Для этого понадобятся подстроечные резисторы. Посмотрим на получившуюся схему:
При изменении управляющего напряжения на выходах операционный усилителей будет появляться напряжение либо близкое к нулю, либо близкое к напряжению источника питания. Для индикации напряжения на схеме установлены светодиоды D3-D6 через ограничительные резисторы R9-R12. Если в таком виде подключить схему, то вряд ли мы увидим хоть один светящийся светодиод. Дело в том, что делитель пока не сбалансирован. Для демонстрации работы к резистору R2 подключим резистор на 300 кОм (при условии, что все подстроечные установлены на максимальное сопротивление). Ограничительные резисторы R9-R12 пока можно установить порядка 10 кОм.
В процессе настройки лучше использовать макетную плату
и окончательно спаивать, только после проверки правильности работы.
Чтобы не подключаться каждый раз для проверки к тяжелому и громоздкому трансформатору, да и просто для удобства, понадобится лабораторный блок питания. Он сыграет роль источника управляющего напряжения. Диапазон регулировки напряжения – от, как минимум, 14 до 26 вольт.
Итак, собрав схему с учетом изложенных замечаний, попробуем поиграться с изменением входного напряжения, изменяя напряжение лабораторным блоком питания. Светодиоды должны поочередно зажигаться. На данном этапе главное понять логику работы схемы.
Приведенные ниже таблицы демонстрируют состояние выходов операционных усилителей при разных значениях сетевого напряжения.
Теперь наглядно видно в какой последовательности загораются светодиоды. Обратите внимание на направление протекания тока, т.е. на выходы с большим и низким потенциалом. И еще один момент высокий уровень между выходом 5-го ОУ и землей и между Uпит и выходом 1-го ОУ сохраняется только при условии, когда сетевое напряжение входит в рабочий диапазон стабилизатора. В случае выхода за пределы диапазона вместо двух логических «1» получаем — «1» и «0». Этим обязательно воспользуемся позже для построения схемы защиты.
Разобравшись немного с логикой, продолжим усложнять схему, поскольку в таком виде она неприемлемая. При работе схемы видно, что светодиоды переключаются нечетко. Если очень плавно изменять управляющее напряжение, то в точке переключения происходит частое перемигивание. То, что называется «дребезгом». Эффект устраняется с помощью положительной обратной связи. Подробнее в статье «Гистерезис. Триггер Шмитта».
Для устранения «дребезга» добавим к каждому операционному усилителю по два резистора. Фактически чем больше разница их номиналов, тем больше величина гистерезиса. Рассчитывать формулами не стал. Здесь больше практика. Благо макетная плата позволяет :). Установил подбором между выходом и входом ОУ резистор на 3 Мом, между опорным напряжением и неинвертирующим входом – 1 кОм. Визуально дребезг пропал. Переключения — где-то на полвольта изменения сетевого напряжения. Результат меня устроил.
И прежде, чем рисовать получившуюся схему, улучшим ее еще немножко. Дело в том, что управляющее напряжение, которое мы снимаем с конденсатора фильтра все еще пульсирующее с частотой 100 Гц. Пульсации небольшие, но их паразитное влияние будет ощущаться. Совсем неплохо сгладит пульсации конденсатор емкостью 4,7мкФ, установленный между подстроечными резисторами R2 и R3. Схема примет вид:
Итак, что мы имеем: при изменении сетевого напряжения линейно изменяется управляющее напряжение, светодиоды сигнализируют в каком диапазоне находится сетевое напряжение. Пока все нормально.
Для управления отпираниями симисторов добавим в схему оптроны МОС3083 (подробнее об оптосимисторах в статье «Симисторная оптопара»), которые будут включаться с той же очередностью, что светодиоды. Только вот ток для их включения должен быть как минимум 5 mA. Включенный последовательно ограничительный резистор на 470 Ом даст ток приблизительно равный 8 mA при Uпит чуть более 7 В. Немного mА будут запасом на выгарание. Здесь важен баланс. Увеличение тока через оптосимистор приведет к увеличению общей нагрузки, как следствие — к увеличению амплитуды пульсаций Uупр и более сильному «дребезгу».
Подключаем оптосимисторы к выходам операционных усилителей как показано на рисунке. Всего в моем случае потребуется четыре штуки.
На данном этапе остались пробелы в схеме. Необходимо отключение нагрузки при выходе сетевого напряжения за пределы рабочего диапазона стабилизатора (167-277 вольт). Буду использовать реле. От стабилизатора РЕСАНТА AHC-10000H/1-Ц. осталось несколько вполне приличных реле. Можно выбрать одно получше, и оно еще послужит.
Но об этом позже. А сейчас добавим в схему еще два оптрона LTV-817. LTV-817 – это своеобразный транзисторный ключ, управляемый свечением фотодиода. Полностью открытым согласно техническим данным транзисторный ключ будет при токе фотодиода 50mА. Но как показала практика достаточно значений близких к 5 mA для того, чтобы сопротивление коллектор-эмиттер стало равно нескольким десяткам Ом. Что в нашем случае вполне достаточно. Установка ограничительного резистора на 1-1,5 кОм дает вполне приемлемые результаты. Схема с установленными оптронами приведена ниже:
Как бы мне не хотелось закончить с разделом логики, но…, забегая наперед, скажу – схема не «БГ»:) (не работает). Проводя эксперимент сжег три симистора. А ведь все так красиво переключалось. Чесание головы привело к следующему выводу — растянутые фронты выключения/включения оптронов. Т.е. возникают такие моменты времени, когда ток на одном оптроне уменьшился до граничного значения отключения, но отключение не произошло, а на другом оптроне ток увеличился до того же значения. Оба оптрона в моменте включены. Здесь не спасает даже включение симистора при переходе фазы через ноль. К нагрузке подключаются обе обмотки трансформатора. Симистор становится единственной нагрузкой и… до свидания симистор! Что я и получил (не спасли и 5А предохранители, ставьте меньшие значения для экспериментов).
Как не грустно, пришлось дорабатывать схему. Спасением стало добавление микросхемы логики. Причем можно использовать как логику «НЕ», так и «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ». Рассмотрим подключение обоих вариантов.
На схеме показаны возможные варианты состояния выходов операционных усилителей «1»- высокий уровень, «0» — низкий уровень, а также состояние выходов микросхемы логики. Высокий уровень на выходе микросхемы будет только тогда, когда на входах будут разные значения 1 или 0. Повышение сетевого напряжения будет приводить к поочередному включению оптосимисторов. Плюс такой схемы в том, что оптосимистор подключен непосредственно на землю. Минус – для подключения всех оптронов потребуются две микросхемы логики, и придётся задействовать еще один операционный усилитель. А для меня в результате еще и пересчет делителя. Поэтому я пошел другим путем, но оставляю этот вариант на заметку.
Второй вариант подразумевает инвертирование сигналов с выходов операционных усилителей. Здесь не нужно делать больших изменений. Пропустим сигналы через микросхему логики, изменим положение светодиодов, поменяем некоторые номиналы. Понадобится микросхема К155ЛН1 (аналог SN7404). Микросхема содержит шесть логических элементов «НЕ». Как раз столько сколько нужно.
Итак, поскольку сигналы инвертировались, все светодиоды и оптроны разворачиваются согласно новой полярности. Питание операционных усилителей пришлось немного уменьшить, так как сигнал высокого уровня для микросхемы К155ЛН1 желательно приблизить к 5 В. Для этого сопротивление резистора R1 источника питания нужно уменьшить до 910 Ом. Питающее напряжение ОУ уменьшится до 6,5 вольт, при этом на выходе ОУ будет чуть больше 5 вольт.
Немного напрягает разница в 1,5 вольта вместо 2 между выходом LM317 и входом 78l05. Но поскольку ток нагрузки 78l05 очень мал это не повлияло на качество выходного напряжения. Я оставил как есть. Но можно переключить вход 78l05 к Uупр или вообще исключить стабилизатор и использовать делитель напряжения от стабилизированных 6,5 вольт.
Микросхему К155ЛН1 запитаем позже от отдельного источника, когда будем подключать реле.
Ток на выходе К155ЛН1 не особо большой и нагрузка, представленная на схеме выше, немного ее поднапрягает. Напряжение высокого уровня при показанных номиналах – 3,13 В. Ограничительные резисторы R19-R22 пришлось уменьшить до 5 кОм, светодиоды сделать одного цвета, иначе яркость была совсем никакая. Резисторы R23-R26 уменьшились до 330 Ом. Ток через оптосимистор – где-то 5,5 mА. Ток можно увеличить, уменьшая R23-R26, но напряжение на выходе К155ЛН1 будет падать, важно не перестараться.
На вход оптронов LTV-817 включил красные светодиоды. Они будут сигнализировать о выходе сетевого напряжения за пределы рабочего диапазона. 13-й выход микросхемы К155ЛН1 посажен на землю не спроста. На 12-том выходе мы получим постоянный высокий уровень, что заменит подключение к источнику питания, как в предыдущем варианте схемы. Подключил так чтобы не искажать фронты переключений. Кстати, о фронтах сигналов при переключении. Посмотрите, как выглядят они на входе К155ЛН1 и на ее выходе.
Разница очевидна.
Расчет сопротивлений делителя напряжения
В данный момент на схеме присутствуют все элементы, которые будут нагружать наш источник питания. Пришло время проследить зависимость напряжения на выходе конденсатора фильтра от сетевого напряжения. Для этого собранную схему необходимо подключить как по схеме к источнику переменного тока, т.е. к обмотке намотанной вокруг сердечника трансформатора внутри стабилизатора. Вся собранная схема и есть нагрузка. Необходимо зафиксировать сетевое напряжение и напряжение на выходе нестабилизированного источника питания (диодный мост, фильтрующие конденсаторы) под нагрузкой. Питание на К155ЛН1 пока не подаем.
У меня получилось — при сетевом напряжении 220 В измеренное напряжение составило 20 В. Делим 220 на 20, получаем коэффициент равный приблизительно 11. С помощью этого коэффициента можно определить выходное напряжение при любом сетевом. Так при напряжении в сети 167 В на выходе будет 15.1 В. В таблице ниже приведены остальные ключевые значения:
Поскольку измеренное напряжения для нас является управляющим, осталось подобрать такие значения сопротивления резисторов делителя, при которых будет происходить своевременное переключение компараторов. Ниже привожу свою методику расчета, никому ее не навязывая.
Формулы для расчета
Uвых = I ·R2 = UвхR2 /(R 1 + R2 ).
Отсюда R2 = Uвых ·R 1 /( Uвх— Uвых )
или
R 1 = R 2 · ( Uвх— Uвых ) /Uвых
Для начала измеряю более точное значение опорного напряжения на выводах 3 или 5 операционного усилителя любого. В моем случае значение 4,95 В. Входное сопротивление операционного усилителя принимаем за большую величину, мало влияющую на значения сопротивлений делителя. Измеряю реальное значение R7, не вытаскивая или не выпаивая из схемы, R7=99 кОм (на рисунке Rнп)
Для начала необходимо рассчитать такое сопротивление верхнего плеча Rвп=R+R2+R3+R4+R5+R6 , при котором Uупр=25.1 В (Uвх), а на 2-ом выводе ОУ5 напряжение сравнялось с опорным (4.95В(Uвых)). Можно воспользоваться формулой расчета делителя напряжения или онлайн калькулятором.
Нам необходимо найти сопротивление верхнего плеча, зная, что Rнп= 99Ком. Подставляем значения, получаем:
Rвп= R+R2+R3+R4+R5+R6 = (99000*(25,1-4,95))/4,95=403 кОм
Далее нам известно, что при Uупр=22.1 В, на выводе 6 ОУ4 должно быть напряжение 4,95В.
Для этого случая
Rвп= R+R2+R3+R4+R5 или Rвп= 403кОм-R6
Rнп= 99Ком+R6
Решаем уравнение:
403000-R6=(99000+R6)(22,1-4,95)/4,95 отсюда R6=13440 Ом
